聚合物、无机与复合材料

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1、聚合物、无机与复合材料 Polymer, Inorganic and Composite Materials,Abstract【内容梗概】,现代科学技术突飞猛进，材料、能源、信息技术日新月异，不但要求生产更多具有高强度和特殊性能的金属材料，而且要求迅速发展更多、更好性能的非金属材料。至20世纪70年代中期，全世界聚合物材料和钢产量的体积就已经相等。当前，就其产量和应用领域而言，聚合物材料已经向传统的金属材料发出挑战。陶瓷材料特殊性能的研究和开发，使之作为最有希望的高温结构材料。而复合材料因能根据人们的要求来改善材料的性能，使各组成材料保持各自的最佳特性并相互取长补短，从而最有效地利用材料，正成

2、为一种新型的、最有发展前途的材料。,Requirement for Studying 【学习要求】,1 了解聚合物的有关特性，认识几种常用工程塑料的性能特点与应用； 概括了解工程陶瓷材料的使用性能特点，熟悉常用的工程结构陶瓷材料的基本性能和应用； 建立对复合材料的性能、分类和应用的一般概念。,Key and Difficult Points 【学习重点与难点】,现代化生产与科学技术的突飞猛进、日新月异，对材料提出了更高、更迫切的要求，传统的金属材料已远远不能满足，因而促进了聚合物、陶瓷与复合材料的日益广泛的应用与发展。本章简要介绍了有关非金属材料与复合材料的初步知识，以便为深入学习非金属材料与

3、复合材料知识奠定基础。 本章学习的重点是常用工程塑料与工程结构陶瓷材料的特性与应用。可根据学时的多少，合理安排教学学时。一般作为需要了解的常识内容。,Suggests for Studying 【学习建议】,1. 随着现代科技的飞速发展，各类新型非金属材料的开发、应用日益广泛。因此，非金属材料基础知识的学习，迫在眉睫。然而由于教学学时有限，本章的课堂教学在23h（课程总学时3640h），故本章知识的掌握，主要应以自学为主。 2. 本章的教学应突出以聚合物材料为重点，以点带面，学好本章内容。,Key questions and clues 【主要问题提示】,1.您熟悉聚合物材料的分类、性能（特别

4、是力学性能）与应用特点吗？ 2.您了解常用工程塑料PE、PP、ABS、PA、PVC、POM、PTFE、PF、EP等的性能特点及主要应用是什么？ 3.常用工程陶瓷材料的性能与应用特点是什么？ 4.何谓金属陶瓷？常用硬质合金的分类与牌号表示方法是什么？ 5.您了解复合材料的性能、分类与应用特点吗？ 6.何谓功能材料？您能举例说明功能聚合物与功能陶瓷材料的特点及应用吗？ 7.为什么说纳米材料是21世纪的新材料呢？ 8.何谓生物材料，试举例说明之。,本章教学内容与方法提示,现代化生产与科学技术的迅猛发展，对材料提出了更高、更迫切的要求，传统金属材料已远远不能满足需要了，因而促进了聚合物、无机与复合材料

5、日益广泛的应用与发展。本章的教学应把握如下几点： 1. 紧密联系材料科学基础知识（13章有关内容），以贯穿材料的”化学成分（组成）- 组织结构性能应用”的主线索为纲，指导本章内容的学习。 2. 以“点”（工程塑料、碳化物金属陶瓷及碳/碳复合材料）带面，学好本章内容。 3. 尽可能联系现实生活和生产实际应用中应用非金属材料的诸多实例，来学习本章内容，切实打好非金属材料科学基础。 4. 在教学方法上，采用“自学”教学法，即以自学为主，精讲（1或2h）为辅。,6 聚合物、无机与复合材料 Polymer, Inorganic and Composite Materials,6.1 聚合物材料 Poly

6、mer materials 6.2 无机非金属材料 Inorganic nonmetallic materials 6.3 复合材料 Composite materials 6.4 新型工程材料简介 Introduction to new-type mechanical materials,6.1 聚合物材料 Polymer materials,6.1.1 聚合物的特征 Introduction of polymers 6.1.2 工程塑料 Engineering plastics 6.1.3 橡胶材料 Rubber materials 6.1.4 胶粘剂与纤维材料 Adhesives and

7、 fiber materials,6.1.1 聚合物的特征 Introduction of polymers,1.聚合物的力学状态（流变行为） 2. 聚合物的力学性能特点 3. 聚合物的物理与化学性能特点 4. 聚合物的分类特征 5. 聚合物的命名,1. 聚合物的力学状态,（1） 线型非晶态聚合物的三种力学状态 线型非晶态高聚物（线型无定形高聚物）存在两种运动单元：一是链段的运动；二是整个大分子链的运动。在不同的温度范围内，其运动单元的运动方式不同，因此就产生三种不同的力学聚集状态：玻璃态、高弹态和粘流态。这三种力学状态可以相互转变： Tg Tf 玻璃态 高弹态 粘流态 由于这三种状态是在不同

8、的温度范围内 出现的，因而也称为热力学状态。三 种力学状态的转变可用形变温度曲线 （或称热机械曲线）来描述，如下图 所示。,线型非晶态聚合物的热力学曲线,（1） 线型非晶态聚合物的三种力学状态, 玻璃态(TbTg) 在此温度范围内，曲线基本水平，形变量小，但弹性模量较高。此时分子热运动能量很小，不足以克服分子之间相互作用力，因此整个大分子链的活动较困难，即使是链段的内旋转运动也处于被冻结状态，这种状态称为玻璃态。Tg称为玻璃化温度，在Tg温度以下，高聚物都处于玻璃态，在外力作用下只能发生少量弹性变形（ 1% ），处于玻璃态的聚合物具有较好力学强度，在这种状态下使用的材料是塑料和纤维。 高弹态（

9、TgTf） 至此范围时，曲线急剧升高后又很快稳定而趋于水平，变形量很大而弹性模量E显著降低。此时，虽热运动的能量尚不足以克服分子间的作用力而使整个大分子链产生相对位移，但链段通过单键内旋已能较自由地旋转，可改变大分子的构象，把大分子链的一部分卷曲或伸展开来，这种状态称高弹态。表现出很大柔顺性，形变量可高达100%1000%。当去掉外力后，能可逆地恢复原状，且这种变形的回复不是瞬时完成的，而是随时间逐渐变化。它是高聚物所罕见的独有性能，这种形变称为高弹形变。在室温下处于高弹态的聚合物可作为弹性材料使用。例如，经硫化处理的橡胶。 粘流态(TfTd) 在此温度范围，其形变迅速增长，弹性模量再次很快下

10、降，高聚物开始产生粘性流动，处于所谓粘流态，此时变形已变为不可逆。此阶段不仅链段能运动，且整个大分子也能移动，即两种运动单元都能运动。此状态即为粘流态，Tf称为粘流温度。处于粘流态的线型高聚物，当受到外力作用时，不仅大分子链能伸缩，而且分子间也能相互滑移，产生了永久形变。去掉外力后，不能恢复原状。这种形变称为粘流形变，它是不可逆形变。而Td为聚合物的分解温度，当温度达Td时，聚合物大分子链的化学键将被破坏而发生分解。聚合物处于粘流态时，可通过喷丝、吹塑、注射、挤压、模铸等方式制造各种形状的零件、型材、纤维和薄膜等制品。,聚合物力学状态的特征及机理表,（2）晶态聚合物的力学状态,完全晶态高聚物

11、其分子链紧密敛集，致使内旋困难，妨碍链段运动，因此完全晶态高聚物在熔点以下变形很小，始终保持为强硬的晶体状态（硬结晶态），而不出现高弹态。 完全晶态高聚物在熔点Tm以下无高弹性，不论分子量多么低，也不会有流动。完全晶态高聚物的熔点是不随分子量变化的。当将其加热到Tm以上时，可能出现高弹态，也可能是粘流态，这与分子量的高低有关。 i.一般分子量的完全晶态高聚物 当将其加热至Tm时以上，不出现高弹态，而直接进入粘流态。如图中曲线1所示。因此Tm既是熔点，又是粘流温度。一般此高聚物在晶态（TgTm之间）下作塑料或纤维使用，而在粘流态（Tm）进行成形加工。由于其熔点Tm高于无定形高聚物的玻璃化温度Tg

12、，及其大分子间作用力比无定形高聚物高，所以这种塑料的使用温度范围通常都较大，并且强度也较高。 ii 分子量较大的完全晶态高聚物 当将其加热至Tm以上时，分子转变为无规则排列，但因其分子量较大而使分子链非常长，还不能进行整个大分子的流动，而只能发生链段的运动，因此也出现高弹态。当温度继续升至更高温度Tf时，整个大分子流动，于是进入粘流态，如图中曲线2 所示。因此，分子量高的完全晶态高聚物有三种状态：Tm以下晶态，TmTf间高弹态，Tf以上粘流态。由于Tf接近于Td ，为了保证良好的成形性能，晶态高聚物的分子量不应过高。,1-结晶； 2-轻度结晶,（2）晶态聚合物的力学状态,非完全晶态高聚物（一般

13、晶态聚合物） 实际上，所有的晶态高聚物都是部分结晶（仅是结晶度较高而已），都含有相当部分的非晶区。非晶区有链段运动的可能，所以应存在有玻璃态、高弹态和粘流态。晶区则如上述，除了硬结晶态外，随分子量的大小不同，有可能出现或不出现高弹态。因此，非完全晶态高聚物总的力学状态将随分子量的不同而发生变化，如上图 所示。 其特点是，它的高弹态可以区分为皮革态和橡胶态两种。在TgTm范围内晶区仍处于强硬的晶态，而非晶态区已转变为柔韧的高弹态，所以高聚物在整体上表现为既硬且韧的力学状态。这种状态称为皮革态。处于这种状态的塑料为韧性塑料，Tm为韧性塑料使用的上限温度。在Tg以下的一般晶态高聚物的性能刚硬，为硬性

14、塑料，使用的上限温度为Tg。,（3）体型高聚物的力学状态,体型高聚物因大分子链相互交联而呈空间立体结构，大分子间不能产生相互滑动，链段运动也受到很大束缚，所以没有粘流态，当达到分解温度会分解变质。 当轻度交联时，高聚物由于大分子间阻力小，有大量链段可进行热运动，所以可有玻璃态和高弹态。但随交联密度的增大，交联点间距变短，链段运动的阻力增大，Tg提高，高弹区缩小；当交联密度增至一定程度时，链段运动消失，此时高聚物只有玻璃态一种状态。 由于较高交联密度的体型高聚物没有力学状态的变化，所以在加热到很高温度发生分解以前，都有较好的机械强度和较小的变形，作某些工程结构材料使用时，耐热性较好。 如图示出体

15、型酚醛树脂中加入不同交联剂六亚甲基四胺时的温度-形变曲线。图中1-3%六亚甲基四胺；2-5%六亚甲基四胺； 3-11%六亚甲基四胺。,2. 聚合物的力学性能特点,力学性能是决定工程材料使用范围的主要性能指标之一。 （1） 硬度 （2）聚合物的断裂与强度 （3） 高聚物的冲击韧度 （4）疲劳强度 （5）摩擦、磨损性能 （6）粘弹性,（1） 硬度,测试工程塑料硬度的方法，通常有以下三种： 布氏硬度 布氏硬度常用HBW 表示，常用于硬质塑料的硬度测定。 洛氏硬度 洛氏硬度可用于弹性体到硬塑料的硬度测定。软质热塑性塑料大多用R，L标尺，硬质热塑性塑料和热固性塑料常用M标尺。 肖氏硬度 以符号HS（简略

16、为H ）表示。肖氏硬度计有三种类型，即型，型和型。型适用于软质塑料，、型适用于半硬质或硬质塑料。在一般情况下，用型测定塑料硬度值超过95时则改用型；当型硬度值超过95后，则用布氏或洛氏硬度方法测定。 工程塑料的硬度随品种不同而异，热塑性塑料中如尼龙为洛氏硬度 110118 HRR ；热固性塑料中，以木粉填充的酚醛压缩粉布氏硬度30HBS；玻璃纤维增强塑料的洛氏硬度 105120 HRM 。,（2）聚合物的断裂与强度,无定性高聚物的拉伸行为 常用无定性聚合 物的应力（）应变（）曲线大致可归纳为如右图所示的5种类型。 i. 硬而脆的高聚物 如聚苯乙烯、酚醛树脂等热固性塑料如图中曲线a 所示。其主要是弹性变形阶段，没有发生明显屈服，具有高的弹性模量和高的抗拉强度，在小的伸长率 （ 2 ）下就会发生明显的脆性断裂。 ii. 硬而强的高聚物 增强环氧塑料、有机玻璃、硬聚氯乙烯韧性聚苯乙烯塑料等如图中曲线b 所示。此类高聚物具有较高的弹性模量