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1、第二章材料结构与变形（2）非金属 Non-metals1.高聚物的聚合度和分子量2.3高分子材料的结构和性能P.252.3.1高聚物的分子量分子结构式：-CH2CH2n单体：参加反应的低分子化合物(CH2=CH2)链节：在大分子链中重复出现的单元(-CH2CH2)聚合度：链节的重复数n。分子量：M=nm（n聚合度、m链节分子量）概念及名称（聚乙烯为例）高分子：也称高分子聚合物或高聚物(Polymer)，分子是由许多小分子单元键合而成的长链状分子，其分子量的数量级常在103106之间，聚合反应：由许多乙烯小分子打开双键，重复排列而成高分子，如其反应式可写成：n(CH2=CH2)-CH2CH2n由
2、于高聚物的分子量大、结构特殊，所以与低分子化合物相比有很多独到之处：P.26(3).聚合物的本体或溶液粘度特别大；(1).高聚物一般都具有强度与弹性，可作为各种固体或弹性体材料使用；(2).还具有很好的可塑性和延展性，容易制成形状复杂的制品纤维与薄膜材料；(4).高聚物的熔点或软化点的变化范围比较宽（510），聚合物无气态可言。2.分子量对性能的影响为了衡量一个聚合物相对分子质量的均匀程度常常用质量分布来表示。曲线A: 质量窄分布，曲线B: 质量宽分布高聚物的相对分子质量分布越窄，材料的性能越好，但是，合成也越困难。图2-21高分子分子量分布曲线相对分子质量分布相对分子质量分布3.高分子材料的
3、命名高分子材料的命名(参看参看P.91-97)：由材料发明者或使用者直接提出的专用商品名：如尼龙、有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯)学术名称：在单体名称前加“聚”字，如 聚乙烯，聚丙烯，在单体名称后加“树脂”或“橡胶”二字，例如酚醛树脂，丁苯橡胶等，英文字母缩写代号：目前，在商界和工业界大多采用，便于世界各地的交流。如:ABS、PS、PVC、PP 、PE等。它们热行为及成型工艺特点不一样，分热塑性、热固性2.3.2高分子链形状：P.28线型链卷曲链支化链网状结构按大分子链几何形状分为线型和体型。聚合物种类 链形态 密度 耐热性(）强度用途举例高压聚乙烯 支化低60低食品袋低压聚乙烯 线性高90 中塑
4、料周转箱交联聚乙烯 交联中125高电缆套管表表2-1 不同链结构聚乙烯的性能不同链结构聚乙烯的性能2.3.3高分子的聚集态结构高分子的聚集态结构 P.29物质是由无数分子组成的，这些分子聚在一起，会有不同的排列形式。分子堆砌在一起的结构就称为聚集态结构高分子的聚集态主要有非晶态、晶态取向态等。1.高分子的结晶态结晶度：高分子结晶部分的质量分数或体积分数。透明透明性性非晶聚合物非晶聚合物大都是透明的，如有机玻璃、聚苯乙烯和聚氯乙烯等都是透明度很好的塑料。结晶聚合物结晶聚合物有的透光好有的透光差，取决于晶粒的尺寸。如果晶粒的直径同可见光的波长相似，高聚物就不大透明，如聚乙烯。反之，如晶粒的尺寸大于
5、可见光的波长（如聚丙烯）或小于可见光的波长（如涤纶），则结晶高聚物仍有很好的透明性。结晶对聚合物的力学性能力学性能影响：P.30聚合物的结晶度越高，它的力学性能就越好。结晶度低，材料的性质就比较柔软，强度较低。对塑料绳进行拉伸，将原来卷曲的聚合物分子拉直，沿着拉伸的方向上较平行地排列起来。经过高温处理，这种结构就固定下来，这就是取向态结构。2.高分子的取向态结构取向态结构纤维的拉伸倍数越高，取向度越好，强度就越好。图2-25聚酯双向拉伸瓶的制备2.3.4高分子的玻璃化温度和熔融温度使大分子链的空间构象在外力的作用下易发生各种各样的变化c1c2c3c4b1b2b3109280.大分子链的柔性大分
6、子链的内旋性：大分子链可以在保持共价键键长和键角不变的前提下进行自旋转。1.高分子运动的特点P.31(1)整链运动高分子链作为一个整体也能作质量中心的移动。这种移动是通过链的诸链段协同移动来实现的。(2)链段运动质量中心不变，一部分链段相对于另一部分链段的运动。（靠单键的内旋转）。Tg玻璃化温度。Tf粘流温度。温度玻璃态高弹态粘流态变形量TfTg热变形曲线2.高聚物的力学状态P.32(1)线型无定型高聚物a.玻璃态：在比较低的温度下（相对于其它两种状态），高分子链的链段运动与整体运动均被“冻结”，整个高聚物表现出玻璃似的固态，性质刚硬，具有较好的机械性能。玻璃态时的变形是键长与键角的微小弹变。
7、室温下处于玻璃态的高聚物叫塑料。b.高弹态：当高聚物温度高于玻璃化温度，TTg时，链段的热运动得以进行，受外力作用时，分子链通过链段运动调整构象，使原来蜷曲链沿受力方向伸展，结果宏观表现为产生很大的变形。整个分子链质量中心没有移动，各分子之间相互位置依然）。当去除外力后，通过链段的运动，分子链段又回复至蜷曲状态，宏观变形消失。室温下处于高弹态的高分子材料叫橡胶。c.粘流态：温度高于粘流温度Tf时，大分子链的热运动的整链为运动单位；高聚物成为粘态熔体。熔体流动，产生不可逆永久变形，熔体的流动变形是由于大分子链的质量中心移动的结果。粘流态是高聚物成型加工成制品的工艺状态。(2)体型高聚物体型高聚物
8、的交联键限制了整链的运动，没有粘流态。当交联密度较小时，低温时，处于玻璃态；较高温时，由于网链(两交联点间的链长)较长，在外力作用下，网链仍能通过单键内旋转改变其构象，因而有高弹态。交联密度较大时，网链长度减小，链段运动受到更多限制，高弹区小或消失。2.4.1.复合材料的定义根据国际标准化组织（ISO）为复合材料所下的定义，复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。 2.4 复合材料的结构和性能复合材料的结构和性能 P.33复合材料即可以保持原材料的某些特点，又能发挥组合后的新特征，它可以根据需要进行设计，从而最合理地达到使用要求的性能。由于复合材料各组分之
9、间“取长补短”、“协同作用”，极大地弥补了单一材料的缺点，产生单一材料所不具有的新性能。基体：在复合材料中的连续相；增强材料：复合材料中的分散相。短纤维复合材料：短纤维无规则地分散在基体材料中制成的复合材料；2.4.2.复合材料的种类P.34（1）按增强材料的形态分连续纤维复合材料：作为分散相的纤维，每根纤维的两个端点都在复合材料的边界处；连续纤维状短纤维状编织复合材料：以平面二维或立体三维纤维编织物为增强材料与基体复合而成的复合材料。粒状填料复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中制成的复合材料；2.4.2.复合材料的种类（1）按增强材料的形态分颗粒状骨架纤维状2.4.2.复合材料的种类（1
10、）按增强材料的形态分层状复合材料：板状基体材料通过粘接剂胶合形成复合板材。叠层纤维状涂层状（2）按增强纤维种类分类玻璃纤维复合材料；碳纤维复合材料；有机纤维复合材料；金属纤维复合材料（如钨丝、不锈钢丝等）陶瓷纤维复合材料（如氧化铝纤维、碳化硅纤维等）此外，如果用两种或两种以上纤维增强同一基体制成的复合材料称为混杂复合材料（Hybridcompositematerials）。混杂复合材料可以看成是两种或多种单一纤维复合材料的相互复合，即复合材料的“复合材料”。（3）按基体材料分类聚合物基复合材料聚合物基复合材料：以有机聚合物（主要为热固性树脂、热塑性树脂及橡胶）为基体制成的复合材料；金属基复合材
11、料金属基复合材料：以金属为基体制成的复合材料，如铝基复合材料、钛基复合材料等；无机非金属基复合材料无机非金属基复合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）为基体制成的复合材料。（4）按材料作用分类结构复合材料结构复合材料：用于制造受力构件的复合材料；功能复合材料功能复合材料：具有各种特殊性能的复合材料（如阻尼、导电、导磁、换能、摩擦、屏蔽等）。（l）可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能。例如，玻璃纤维增强环氧基复合材料，既具有类似钢材的强度，又具有塑料的介电性能和耐腐蚀性能。2.4.3.复合材料的基本性能P.35复合材料是由多相材料复合而成，其共同的特点是
12、：（2）可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。例如，针对方向性材料强度的设计，针对某种介质耐腐蚀性能的设计等。2.4.3.复合材料的基本性能复合材料是由多相材料复合而成，其共同的特点是：（3）可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。例如，可避免金属产品的铸模、切削、磨光等工序。性能的可设计性是复合材料的最大特点。2.4.3.复合材料的基本性能复合材料是由多相材料复合而成，其共同的特点是：影响复合材料性能的因素很多，主要取决于增强材料的性能、含量及分布状况，基体材料的性能、含量，以及它们之间的界面结合情况，作为产品还与成型工艺和结构设计有关。因此，不论对哪一类复合材料，就是同一类复合
13、材料的性能也不是一个定值。 2.5 陶瓷结构和性能陶瓷结构和性能 P.352.5.1陶瓷结构和分类陶瓷结构和分类传统陶瓷：用于制作生活用品特种陶瓷：作为工程材料的陶瓷分为：氧化物陶瓷非氧化物陶瓷也可根据结构分为烧结体、超细粉体、纤维、薄膜、晶须等陶瓷材料在室温时的显微材料都由主晶相、玻璃相及气相构成。1、氧化物陶瓷、氧化物陶瓷主要有Al2O3，MgO,SiO2，ZrO2，莫来石（化学式为3A12032SIO2）等，熔点：2000以上。结构：除晶相外，还含有少量气相（气孔），性能：微晶强度较高，粗晶时对强度不利，氧化物陶瓷的强度随环境温度升高而降低，但在1000以下降低较小。1、氧化物陶瓷、氧化
14、物陶瓷这类陶瓷基复合材料应避免在高应力和高温环境下使用。这是由于A1203和ZrO2的抗热震性较差，SiO2在高温下容易发生蠕变和相变。虽然莫来石具有较好的抗蠕变性能和较低的热膨胀系数，但使用温度也不宜超过1200。2、非氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷不含氧的氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。特点：是耐火性和耐磨性好，硬度高，但脆性也很强。2、非氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷碳化物和硼化物的抗热氧化温度约9001000，氮化物略低些，硅化物的表面能形成氧化硅膜，所以抗热氧化温度达13001700。氮化硼具有类似石墨的六方结构，在高温（1360）和高压作用下可转变成立方结构的一氮化硼，耐热温度高达2000，硬
15、度极高，可作为金刚石的代用品。2.5.2 陶瓷的性能陶瓷的性能1、几乎没有塑性，完全是脆性断裂。微观原因：陶瓷晶相多属离子晶体，当带电原子沿某晶面滑移时很易引起同号离子相斥，不象金属原子那样滑移原子间距时而建立新的平衡，因而造成键的断裂。宏观原因：大量气孔的存在。陶瓷材料陶瓷材料力学性能力学性能2、陶瓷内部有大量气孔，在受压应力时，气孔不易导致裂纹的扩展，故抗压强度高，而抗拉强度低。较脆的铸铁其抗拉强度与抗压强度比值约为1/3-1/4，而陶瓷在1/10以下。陶瓷材料陶瓷材料力学性能力学性能3.陶瓷受力后有一定弹性变形，其弹性模量在103104GPa数量级之间，多数陶瓷室温弹性模量高于金属。陶瓷
16、材料陶瓷材料力学性能力学性能4.陶瓷的硬度远高于金属这是因为它具有比金属复杂得多的晶体结构，要使正负离子之间产生极小的位移都要消耗较大的能量。陶瓷材料陶瓷材料力学性能力学性能虽然陶瓷的许多性能优于金属，但它也存在致命的弱点致命的弱点，即脆性强，韧性差，很容易因存在裂纹、空隙、杂质等细微缺陷而破碎，引起不可预测的灾难性后果，因而大大大大限制限制了陶瓷作为承载结构材料的应用了陶瓷作为承载结构材料的应用。一般而言，陶瓷具有比金属更高的熔点和硬度，化学性质非常稳定，耐热性、抗老化性皆佳。通常陶瓷是绝缘体，在高温下也可以导电，但比金属导电性差很多。作为一类材料，只有少数陶瓷的抗拉强度超过172MPa。P.37 习题第二章作业 1、3、6、8、9第二章思考 全部
