第九章第一节高分子材料基础知识_工程材料.doc

月 日 第 周 星期 课次 备课区 备注区 第9章 非金属材料 工程塑料非金属材料 人造橡胶复合材料 比重小（轻化结构）优越性 工艺性好（有利于加工成型）耐腐蚀绝缘目前使用的非金属材料主要为人工合成的高分子材料9-1 高分子材料的基础知识 一、高分子化合物的组成与结构 1、什么是高分子材料？ M5000 高分子 M=5005000 视具体情况划分 例：多糖 M=1000 低分子石蜡 M=1000 高分子 高分子材料除分子量大外，还应具有一定的强度、硬度、刚度、弹性、塑性等。 2、高分子化合物的组成高分子化合物是有一种或几种低分子化合物经重复连接而成的。例：聚乙烯 月 日 第 周 星期 课次 备课区 备注区 分子式：nCH2=CH2 结构式：CH2 CH2CH2 CH2 长链 简化式：CH2CH2n式中：CH2CH2 链节 n：聚合度（非固定值） 大分子的多分散性：每个大分子个体分子量不同，高分子化合物的分子量是指平均分子量。3、高分子材料的人工合成 加聚反应 特点：高聚物的化学组成与单体完全相同 例：CH2=CH2 CH2CH2 n 乙烯 聚乙烯若单体为一种低分子，为均聚反应 。若单体为两种或两种以上的低分子化合物，为共聚反应。 例：丁苯橡胶 加聚反应条件：加聚反应的单体必须具有不饱和的双键 缩聚反应 特点：反应的结果除生成高聚物外，还有低分子的副产物生成（氨、水、醇）。例：尼龙由氨基己酸脱水而成 月 日 第 周 星期 课次 备课区 备注区 缩聚反应条件：单体上带有能参与化学反应的官能团 4、大分子链的结构形态与作用力1）大分子链的形态线型分子链各链节以共价链连接成线型长链分子形态：像一根长线，呈卷曲状或线团状。在拉力作用下，呈卷曲状或线团状的线型大分子链可以伸展拉直，外力去除后，又缩回到原来的卷曲状和线团状。性能：具有良好弹性和塑性；能在溶剂中溶解或溶胀；加热时可软化或熔化。因此，易于成型，可重复使用。如聚乙烯等热塑性塑料。体型(网型或交联型)分子链在线型或支化型分子链之间, 沿横向通过链节以共价链连接起来, 形成的三维(空间)网状大分子。形态：网状性能：结构稳定性高；不溶于任何溶剂；加热不熔融；具有良好的耐热性和强度；脆性大；弹性、塑性低；只能在形成网结构前一次成型；不能重复使用。如酚醛树脂等热固性塑料。 月 日 第 周 星期 课次 备课区 备注区 2）大分子链的作用力链与链之间为范德华力，链中原子之间是强大的共价键。外力作用时链与链之间易滑脱，要强化高聚物必须强化链之间的结合力。二、高分子材料的聚集态晶态 分子链在空间规则排列 部分晶态 分子链在空间部分规则排列 非晶态 分子链在空间无规则排列（亦称玻璃态） 通常线型聚合物在一定条件下可以形成晶态或部分晶态，而体型聚合物为非晶态(或玻璃态)。获得完全晶态的聚合物很困难，大多数聚合物都是部分晶态或完全非晶态。 结晶度越高，分子之间的结合力越强，高聚物的强度、硬度、刚性越高，但弹性、伸长率、冲击韧性越低。三、高聚物三态 1线型非晶态高聚物玻璃态：Tg（玻璃化温度 ）温度以下高聚物为非晶相的固体 特点：变形量小, 而弹性模量较高,具有一定的强度，较刚硬,可切削加工，能做结构件。玻璃态的高聚物是塑料的使用状态 月 日 第 周 星期 课次 备课区 备注区 高弹态：TgTf（粘流温度）温度之间高聚物柔软而富弹性特点：变形量很大，而弹性模量显著降低， 外力去除后变形可以回复， 弹性是可逆的，具有橡胶的特性。高弹态的高聚物是橡胶的使用状态。粘流态：Tf温度以上，高聚物为流动的粘液 特点：变形迅速发展，弹性模量很快下降，高聚物开始产生粘性流动，此时变形已变为不可逆。粘流态的高聚物为注射成型加工的工艺状态，也是粘结剂和涂料的使用状态2、线型晶态高聚物完全晶态的线型高聚物，和低分子晶体材料一样，没有高弹态。部分晶态的线型高聚物，非晶态区在Tg温度以上和晶态区在熔点Tm温度以下存在一种即韧又硬的皮革态。此时,非晶态区处于高弹态, 具有柔韧性, 晶态区则具有较高的强度和硬度, 两者复合组成皮革态。处于皮革态的塑料为韧性塑料。四、高聚物的性能1、机械性能 月 日 第 周 星期 课次 备课区 备注区 强度低高聚物的强度平均为100MPa, 比金属低得多, 但由于其重量轻、密度小，许多高聚物的比强度还是很高的, 某些工程塑料的比强度比钢铁和其他金属还高。弹性高、弹性模量低高聚物的弹性变形量大，可达到100%1000，而一般金属材料只有0.1%1.0。高聚物的弹性模量低，约为220MPa, 一般金属材料为1032105MPa。粘弹性高聚物受力后，变形随时间呈线性发展称为粘弹性。蠕变在恒定载荷下变形随时间延长逐渐而增加的现象为蠕变。金属在高温下发生蠕变，而高聚物在室温下也会出现蠕变。是由大分子链在力的长时间作用下，逐渐改变构象和发生了位移所引起的。应力松弛高聚物受力变形后所产生的应力随时间而逐渐衰减的现象叫应力松弛。例如，连接管道的法兰盘中的密封垫圈，经过长时间工作后发生渗漏现象，就是应力松弛。原因与蠕变一样。应力松弛过程：受力前分子链卷曲并互相缠结；受力被拉到一定长度时，分子链伸张，但仍互相交缠，产生一定的拉应力； 月 日 第 周 星期 课次 备课区 备注区 随时间的延续，发生缓慢的链段运动，分子链构象逐步调整，趋向于比较自然卷曲的稳定状态，缠结点松动，应力消失。滞后与内耗高聚物受周期载荷时，例如，橡胶轮胎、传送带或减震器工作时，产生伸缩的循环应变。由于应变对应力的滞后，在重复加载时，就会出现上一次变形还未来得及回复时，或分子链的构象跟不上改变时，又施加了下一次载荷，于是造成分子间的内摩擦，产生内耗，而那部分未来得及释放的、由变形所引起的弹性储能转变为热能。内耗的存在会导致高聚物温度的升高，加速其老化，但内耗能吸收震动波，有利于高聚物的减震性能。塑性与受迫弹性高聚物由许多很长的分子组成, 加热时分子链的一部分受热，其它部分不会受热或少受热，因此材料不会立即熔化，而先有一软化过程，所以表现出明显 的塑性。处于高弹态的橡胶，在温度较低和分子量很高时这样。处于玻璃态的塑料（如聚乙烯等热塑性塑料），当温度较高时也具有这样的性能。韧性高聚物的内在韧性较好，即在断裂前能吸收较大的能量。但是由于强度低，高聚物的冲击韧性比金属小得多，仅为其百分之一的数量级。减摩、耐磨性大多数塑料对金属和对塑料的摩擦系数值一般在0.20.4范围 月 日 第 周 星期 课次 备课区 备注区 内,但有一些塑料的摩擦系数很低。例如, 聚四氟乙烯对聚四氟乙烯的摩擦系数只有0.04，几乎是所有固体中最低的。塑料的另一优点是磨损率低而且可以进行一定的估计。2、高分子材料的物理性能和化学性能特点绝缘性高聚物分子是良好的绝缘体，绝缘性能与陶瓷相当。对热、声也有良好的绝缘性能。耐热性热固性塑料的耐热性比热塑性塑料高。常用热塑性塑料如聚乙烯、聚氯乙烯、尼龙等，长期使用温度一般在100以下；热固性塑料如酚醛塑料的为130150；耐高温塑料如有机硅塑料等，可在200300使用。耐蚀性高聚物的化学稳定性很高。它们耐水和无机试剂、耐酸和碱的腐蚀。尤其是被誉为塑料王的聚四氟