材料结构与性能答案

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1、材料结构与性能答案一、名词解释：1大分子(macromolecule)：由大量原子组成的，具有相对高的分子质量或分子重量 聚合物分子：也叫高聚物分子，通常简称为高分子。就字面上它是一个由许多(poly)部分(me组成的分子，然而它的确包含多重重复之意。它意 味 着：(1)这些部分是由相对低分子质量的分子衍生的单元(所谓的单体 单元或链节)；(2)并且只有一种或少数几种链节；(3)这些需要的链节 多重重复重现。2. 共聚物：共聚物一词在历史上指由能自身均聚的单体聚合而生成的聚合物3. 结晶度(degree of crystallinity)：结晶高聚物结晶部分量地多少。分为质量结晶度 和体积结晶

2、度4. 等同周期(identity spacing)：高分子晶体中分子链方向相同结构重复出现的最短 距离，又称高分子晶体的晶胞结构重复单元。构成高分子晶体的晶胞结构重复单 元有时与其化学重复单元不相同。5. 结晶过程：物质从液态(溶液或熔融状态)或气态形成晶体的过程。二、概念区分：1、微构象(microconformation)与宏构象(macroconformation)J微构象：即高分子的主链键构象，即是高分子主链中一个键所涉及的原子或原子 团的构象宏构象：沿高分子链的微构象序列导致高分子的宏构象，它决定高分子的形状微构 象指高分子主链键构象。宏构象指整个高分子链的形态。由于微构象的变化所

3、导致 的高分子的宏观形态(morphology)应力(stress)与应变(strain)|仙力(。)是受力物体截面上内力的集度，即单位面积上的作用力变( ):在外力作 应用下，材料的几何形状和尺寸发生的变化=Ee, E是弹性模量。a3-侧基(side group)与端基(end group)侧基：侧基是一个主链上的分支，既不是低聚物的也不是高聚物的。I端基：端基是大分子或低聚物分子末端的结构单元4、初期结晶(primary crystallization)与二次结晶(secondary crystallization)初期 结晶：物质从液态(溶液或熔融状态)或气体形成晶体。初期结晶是结晶I过

4、程的第 一步，认为当大部分球形表面相互挤撞时结晶结束。二次结晶是指初期结晶完成之后的结晶过程，通常此过程的结晶速率较低。二次结晶：指结晶后期发生在初晶结构下不完善的部位，或是发生在初始结晶残留下的非晶区的结晶现象。二次结晶发生在初次结晶之后，结晶速率低于初次结晶速率5、质量结晶度(皿破8 degree of crystallinity)与体积结晶度(volume degree of crystallinity)质量结晶度：结晶部分在总体中所占的重量百分数或重量分数体积结晶度：结晶部分 在总体中所占的体积百分数或体积分数PcPImrW _ 二 rm论述题三、什么是球晶？简单叙述球晶的结构特点及其

5、球晶的生成条件。球晶：球晶是以晶核为中心，呈球形对称生长的结晶形态。结构特点：呈圆球状，是折叠链片晶的的聚集体，尺寸一般几十微米到厘米数量级。在正交偏光显微镜下呈现特有的黑十字消光，有些出现同心 环生成条件：在不存在外力和流动的情况下，高聚物从浓溶液浓溶液析出或从熔体冷却 结晶时，都倾向于生成球晶四、缨状胶束模型(缨状微胞模型)(fringed micelle model)其特点是高聚物的结构由结晶和非晶两相组成(两相结构模型)；晶粒有一定 的大小和尺寸；(3)每一个晶粒有许多分子束聚集而成；(4)每个高分子链可以同时贯 穿几个晶区和非晶区。可解释如下事实：(1) 晶粒尺寸远小于分子链长度；(

6、2) X-射线衍射图中，既有反映晶区存在的衍射环，又有反映非晶区存在的散射 晕圈；(3) 纤维的宏观密度比由晶胞计算的密度小，又比其完全无定形材料的密度大；(4) 纤维一般可以拉伸许多倍，拉伸后又有回缩的倾向；(5) 拉伸后X 射线的衍射图由衍射环蜕变为弧形衍射斑点等。结晶高聚物在DSC升温曲线上的双熔融峰现象并画图解释原因：含有不同 的结晶形态rcmpcralufci 1不同的热历史可以造成不同的结晶和熔化过程，在慢速升温过程中，由于结晶高聚物 形成的片晶部分熔化，未熔化部分可作为成核点，形成熔融再结晶，这种结晶可以在 更高的温度熔化，从而形成熔融双峰。还有一种观点是结晶过程中形成了两种不同

7、稳态的晶体，热稳定性差的在较低 温度熔 化，热稳定性高的在较高温度熔化，从而形成熔融双峰。五、多数聚合物纤维含有晶区与非晶区，请设计一套测试非晶区取向度的方案我们选 择使用X射线衍射双折射法：用X-射线衍射法可求出晶区取向度，再结合双折射 法可算出非晶区取向度。先利用X.射线衍射测定晶区的取向度fc,再利用量热法测定 体积结晶度。,然后采用偏光显微镜测定双折射，最后利用公便可计算出既晶区的取向%护3 = efe +(1-忙式仁二佥六、绘出非晶态高聚物的温度形变曲线。分子运动和力学性质有何不同O其中!和Ma。分别是晶区与非晶区的特征双折射；fc和fa分别是晶区与 非晶区的取向函数。解释各力学状态

8、和转变温度所对应的高聚物在定负荷下的温度形变曲线A-玻璃态；B-玻璃化转变区(1) 玻璃态：此时由于温度较低，链 段的热运动能不足以克服主链内旋转势垒，因此，链段处于被“冻结”状态。只有 侧基、链节、短支链等小尺寸运动单元的局部振动及键长和键角的变化，因此弹性 模量很i(1010-1011 dyn/cm2)，形变很小(0.01 0.1%)，具有虎克弹簧行为，质硬而 脆，类似玻璃，因而称为玻璃 态。(2) 玻璃化转变区：这是一个对温度十分敏感的的区域，在35C范围 内，很多性质发生突变(例如线膨胀系数、模量、介电常数、折光指数等)。从分子 运 动机理来看，在此温度链段巳经开始“解冻”。由于链段的

9、运动，使分子链可以 在外力的作用下伸展(或卷曲)，因此弹性模量迅速下降34个数量级，形变迅速 增加。这种玻璃态向高弹态的转变称为玻璃化转变。一般把链段开始“解冻”或 “冻结”的温度称为玻璃化转变温度，简称玻璃化温度。(3) 高弹态：随温度的升高，分子的热运动能量逐渐增加，当温度升至到足以使 链段自由运动时便进入高弹态。这种状态的高聚物，受较小的力就可以发生很大形变 (1001000%),当外力除去后形变可以恢复。高弹态是高聚物特有的力学状态。高弹 形变是由于链段运动使分子链发生伸长与卷曲运动的宏观表 现。高弹态的弹性模量 只有106108dyn/cm2o在温度形变曲线上出现平台区，这是由于随着

10、的升高，弹性 回复力增加(抵抗形变能力)与形变能力增加相互抵消的结果。(4) 粘弹转变区：这也是对温度敏感的区域。由于温度进一步升高，链段的热运 动进一步加剧，这时不仅链段运动的松弛时间缩短了，而且整个分子链移动的松弛时 间也缩短到与我们实验观察的时间同数量级。这时高聚物在外力作用下，不仅使分子 链的形态改变，而且会导致分子链重心发生相对移动，高聚物开始出现粘性流动。这 个区域弹性模量下降约两个数量级。高弹态与粘流态之间的转变温度称为粘流温度。 用TF表示。(5) 粘流态：温度高于Tf以后，由于链段的剧烈运动，整个链分子重心发生相 对位移，即产生不可逆流动，高聚物呈现粘性液体状，因而称为粘流态

11、。此时弹性模 量下降到105103 dyn/cm2o一般情况下，高聚物的玻璃态、玻璃化转变温度和高弹态决定材料的使用性能， 而高聚物的粘流温度和粘流态与材料的加工密切相关。七、请简述影响高聚物玻璃化转变温度的各种因素，并给出一种测试玻璃化转变温度的方法和简单原理。影响因素： 结构因素(a) 链结构：分子链柔性越高，口越低。(b) 分子量：当分子量较低时，随分子量增加而增加；当分子量达到某 一临界值时，口不再随分子量改变。(c) 共聚：共聚物的Tg介于两个均聚物之间，并随着其中某一组分的 增加而呈线性或非线性变化。1)共混：对于完全不相容体系存在两个(e) 交联：当分子间存在化学交联时，Tg升高

12、。(结晶与取向：结晶度越高，Tg越高；取向度越大，Tg越高。 外界条件(町升温速率：升温速率越快，测得的Tg越高。(b) 外力：单向外力促使链段运动，使G降低。(c) 压力：压力越大，G越高。1)测量频率：4随测量频率的增加而升高。测量。的方法：热膨胀计法。测量原理：利用玻璃化转变前后，聚合物体积的变 化。测试玻璃化温度的方法：(1)利用体积变化的方法：热膨胀计法优点：升温速率可控制的很慢利用热量变化的方法：DTA, DSC优点：样品量少，速度快，定量性好(DSC)结晶的影响：可导致无法测出4(3) 利用力学性质变化的方法：温度形变法，动态力学方法优点：对分子运动很敏感，即使结晶度很高的试样也

13、可测得(4) 利用电磁性质变化的方法：介电松弛等。优点：对分子运动很敏感，即使结晶度很高的试样也可测得Ta八、应力-应变曲线，指出从该曲线可获得的参数，影响强度的因素/slope:，-Inina；Yield pointy屈服应变屈服点。b断裂强度arc；of mplurc1)应力与应变(2)断裂强度(tenacity)断 裂伸长(elongation at break, e b)(4)弹性 模量(初始模量initial modulus, e b)(5)断裂功(work of rupture)功 系数(work factor, work coefficient)结节强度和环扣强度(8)回弹率6断

14、裂功回弹率二一X (100)影响强度的因I素：化学结构(e)链结构：链的规整度越高，材料的力学性能越好。(f) 分子量：高聚物的分子量越大，材料的强度越大。(g) 交联：随着交联度的增加，材料的强度有一个极大值。(h) 分子间作用力：分子间作用力越强，材料的强度越高。 超分子结构(a) 结晶度:结晶度提高，材料的力学性能变好(b) 取向度：沿着纤维轴拉伸方向，材料力学性能提高。晶粒尺寸：晶粒 的体积越小，纤维的强度越大；长径比越大，纤维的强度越大。 测试条件(a)湿度:纤维吸湿性越强，湿度影响越大。(b)温度：温度升高，力学性能 下降，(C)试样夹持长度：夹持长度越大，纤维的强度越低。(d)拉伸速率：拉 伸速率越大，伸长率越小，强度越高。