《塑料流变成型原理》PPT课件.ppt

塑料流变成型原理 主讲 陈璞 第1章材料科学概述第2章高分子材料的制备反应第3章高分子材料的结构与性能第4章通用高分子材料 塑料流变成型原理 第1章材料科学概述 1 1材料与材料科学1 2材料结构简述1 3材料的性能1 4材料工艺与结构性能的关系 材料是人类进步的里程碑 时代的发展需要材料 而材料又推动时代的发展 所以人们把材料视为现代文明的支柱之一 在新的世纪里 人类面临着五大问题 人口 粮食 资源 能源与环境 从某种意义上说 材料是一切文明和科学的基础 它使人类及其赖以生存的社会 环境存在着紧密而有机的联系 材料是物质 但不是所有物质都可以成为材料 一 材料与物质 金属 陶瓷 半导体 聚合物 塑料等 玻璃 介电材料 纤维 木材等 还有许多复合材料都属于材料的范畴 一 材料与人类文明及社会现代化 纵观人类发展的历史 每一种重要材料的发现和利用 都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新的水平 给社会生产和人类生活带来巨大的变化 二 材料是人类文明的里程碑 随着科学技术的发展 功能材料越来越重要 近 现代历史表明 材料与社会经济发展 地区开发乃至国家振兴是休戚相关的 材料是人类赖以生存的基础 材料的发展和进步伴随着人类文明发展和进步的全过程 材料是国民经济建设 国防建设和人民生活不可缺少的重要组成部分 根据材料及其在各领域的应用 可划分为以下几大部分 信息功能材料 工程结构材料及先进的陶瓷材料 能源结构材料 功能材料与含能材料 低维材料 生物材料 智能化材料 环境材料等 材料既是人类社会进步的里程碑 又是社会现代化的物质基础与先导 材料 尤其是新材料的研究 开发与应用反映着一个国家的科学技术与工业水平 三 材料是社会现代化的物质基础与先导 综上所述 说明材料特别是新材料与社会现代化及现代文明的关系十分密切 新材料对提高人民生活水平 增加国家安全 提高工业生产率与经济增长提供了物质基础 因此新材料的发展十分重要 一 材料的单向循环模式 二 材料循环 材料 能源与环境 资源开采 生产加工 消费使用 废物丢弃 这种单向循环模式必然造成资源紧缺 能源浪费 环境污染的严重后果 二 材料的双向循环 目前人们开始认识到现有的 消耗资源能源 制造产品 排放废物 这一单向生产模式已经无法持续下去 而应当以仿效自然生态过程物质循环的模式取而代之 建立起废物能在不同生产过程中循环 多产品共生的工业模式 即所谓的双向循环模式 循环经济与知识经济并称为世界未来经济发展的两模式 三 材料的可持续发展战略与生态环境材料 1 材料的可持续发展战略 1 尽可能节约资源与能源 尽可能减少对环境的污染 2 把材料及产品整个寿命周期对环境的协调性作为重要的评价指标 3 把材料科技与产业的具体发展目标和各国 各地区可持续发展的大目标结合起来 2 生态环境材料研究与开发的兴起 生态环境材料是指 同时具有优良的使用性能和最佳环境协调性能的一大类材料 这类材料对资源和能源消耗少 对生态和环境污染小 再生利用率高或可降解和可循环利用 而且要求在制造 使用 废弃直到再生利用的整个寿命周期中 都必须具有与环境的协调共存性 大力提倡和积极支持开发新型的环境材料 取代那些资源和能源消耗高 污染严重的传统材料 一 材料科学与工程的组成要素 三 材料成分 结构 合成与加工 性能 使用效能 五要素 成分 合成与加工 结构 性能 使用效能 金属材料 铸造 成型 连接 机加工 粉末冶金陶瓷材料 铸造 压制 烧结聚合物 模制 压制复合材料 铸造 成型 连接 二 材料加工工艺方法 三 性能与使用效能 成品状态的材料具有一整套满足实际设计要求的性能 强度 硬度 导电性 密度 色彩等 倘若在使用过程中 材料的内部结构没有变化 那么它将永远保持这些性能 如果产品遇到使材料内部结构发生变化的使用情况 那么 材料的性能与行为也会发生相应的变化 因此 不仅要考虑初始条件 而且要考虑那些将使材料内部结构发生变化 因而也导致材料性能发生变化的使用条件 四 材料设计和选用材料 依据产品所需材料的各项性能指标 利用各种有用信息 建立相关模型 制定具有预想的微观结构和性能的材料及材料生产工艺方法 以满足特定产品对新材料的需求 1 材料设计 2 选用材料 选材的基本原则 胜任某一特定功能 综合性能比较好 材料性能差异定量化 成本 经济与社会效益 与环境保护尽可能一致 一个好的材料的选用 应是设计 工艺 材料 用户最佳组合的结果 材料 具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性质的物质 1 1 1材料及材料化过程 材料工艺过程 由化学物质或原料转变成适用于一定用场的材料 其转变过程称为材料化过程或材料工艺过程 或者说 为适应某种使用目的 而对物质体系某种物性 强度 形状所进行的种种操作或加工就是材料化过程即材料工艺过程 1 1材料与材料科学 1 1 2材料的类别 按化学组成分类 金属材料 无机材料 有机材料 高分子材料 按状态分类 气态 液态 固态 单晶 多晶 非晶 复合材料 按材料作用分类 结构材料 功能材料 按使用领域分类 电子材料 耐火材料 医用材料 耐蚀材料 建筑材料 金属材料有两种 一种是利用其固有特性以纯金属状态使用的 另一种是由几种金属组成或加入适当的杂质成分以改善其原有的特性而使用的 1 1 2 1金属材料 金属材料富于展性和延性 有良好的导电及导热性 较高的强度及耐冲击性 在工业上 通常将金属材料分成黑色金属 铁基合金 和有色金属两种类型 黑色金属主要是以铁 碳为基的合金 包括普通碳钢 合金钢 不锈钢和铸铁 钢的性能主要由渗碳体的数量 尺寸 形状及分布决定 有色金属是除铁之外的纯金属或以其为基的合金 常用的由铝合金 镁合金 铜合金 钛合金等 金属材料富于展性和延性 具有良好的导电及导热性 较高的强度及耐冲击性 金属材料 黑色金属 有色金属 碳钢 常用合金钢 不锈钢 铸铁 普通碳素钢 优质碳素结构钢 碳素工具钢 铝及铝合金 铜及铜合金 钛及钛合金 新型金属材料 超高强度钢 低温合金 形状记忆合金 环境材料 纳米材料 超导新材料 无机材料是由无机化合物构成的材料 其中包括诸如锗 硅 碳之类的单质所构成的材料 硅和锗是主要的半导体材料 由于其重要性 已独立成为材料的一个分支 1 1 2 2无机材料 主要的无机材料是硅酸盐材料 主要有玻璃 陶瓷和水泥三大类 无机材料一般硬度大 性脆 强度高 抗化学腐蚀 对电和热的绝缘性好 无机材料 玻璃 水泥 传统陶瓷 结构陶瓷 工具陶瓷 功能陶瓷 陶瓷 现代陶瓷 日用陶瓷 建筑陶瓷 高分子材料是由脂肪族和芳香族的C C共价键为基本结构的高分子构成 也称为有机材料 1 1 2 3高分子材料 高分子材料的一般特点是质轻 耐腐蚀 绝缘性好 易于成型加工 但强度 耐磨性及使用寿命较差 按来源可分为 天然高分子材料 合成高分子材料 按主链结构可分为 碳链高分子材料 杂链高分子材料 元素有机高分子材料 按性能和用途可分为 橡胶 塑料 纤维 粘合剂 涂料 功能高分子材料 聚合物基复合材料 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用适当的工艺方法组合起来 具有复合效应的多相固体材料 1 1 2 4复合材料 复合效应是指通过复合所得的产物性能要优于组成它的材料或具有新的性能特点 复合材料应满足以下几个条件 由两种或两种以上化学 物理性质不同的材料组成 复合材料是用人工方法制造的 复合材料增加了各个组分材料所不具备的性能 1 按构成的原料分类 根据构成原料在复合材料中的形态 可分成基体材料和分散材料 复合材料有三种命名方法 一是以基体为主 二是以分散材料为主 三是基体和分散材料并用 2 按复合材料的形态和形状分类 颗粒状 纤维状 层状 3 按复合性质分类 合体复合 物理复合 生成复合 化学复合 4 按复合效果分类 结构复合材料 功能复合材料 1 1 3材料科学的范畴及任务 人类历史可以说是按使用的材料种类来划分的 一个国家使用的材料品种和数量是衡量这个国家科学和经济发展水平的重要标志 材料科学是一门以材料为研究对象 介于基础科学和应用科学之间的应用基础科学 是一门多学科的综合性应用基础科学 材料科学的内容 一是从化学的角度出发 研究材料的化学组成 键性 结构与性能的关系规律 二是从物理学角度出发 阐述材料的组成原子 分子及其运动状态与各种物性之间的关系 材料科学的主要任务就是以现代物理学 化学等基础学科理论为基础 从电子 原子 分子间结合力 晶体及晶体结构 显微组织 结构缺陷等观点研究材料的各种性能以及材料在制造和应用过程中的行为 了解结构 性能 应用之间的规律关系 提高现有材料的性能 发挥材料的潜力 并能动地探索和发展新型材料 以满足工农业生产 国防建设和现代技术发展对材料日益增长的需求 宏观组织结构是用肉眼或放大镜能观察到的晶粒 相的集合状态 显微组织结构或称亚微观结构是借助光学显微镜 电子显微镜可观察到的晶粒 相的集合状态或材料内部的微观区结构 比显微组织结构更细的一层结构即微观结构包括原子和分子的排列结构 因为一般分子的尺寸很小 故把分子结构列为微观结构 1 2材料结构简述 材料结构 宏观组织结构 显微组织结构 微观组织结构 原子是由原子核及围绕原子核的电子组成 原子核由中子及带正电的质子组成 因此原子核带正电 电子通过静电吸引被束缚于原子核周围 1 2 1原子结构 电子 质子和中子都是基本粒子 因为原子中电子和原子核的数目相等 所以原子是电中性的 当众多相同或不相同的原子结合在一起构成聚集状态的材料时 材料内部的电子结构决定于原子之间的结合键及材料的组织结构 由金属键结合起来的金属材料 其内部有可自由流动的电子 因此称为导体 由共价键结合起来的材料则一般是绝缘体 具有不同缺陷结构的硅和锗 具有不同的半导体性能 原子之间或分子之间结合力称为结合键或价键 原子间结合力的大小对材料的性质有显著影响 根据结合力的强弱 可把结合键分成主价键和次价键两大类 1 2 2结合键 结合键 化学键 主价键 一次键 物理键 次价键 二次键 离子键 共价键 金属键 氢键 当一种材料含有两种或两种以上原子时 一种原子将其价电子贡献给另一种原子从而填满这种原子的外层能壳层 所产生相反电荷的离子相互吸引形成离子键 1 离子键 离子键无方向性 键能较大 由离子键构成的材料具有结构稳定 熔点高 硬度大 膨胀系数小的特点 一般离子晶体无自由电子 故为电和热的绝缘体 但高温下可使离子本身运动而导电 原子之间通过共用电子对而产生的结合作用称为共价结合即共价键 2 共价键 共价键具有方向性和饱和性两个基本特点 键能较大 由共价结合而形成的材料一般都是绝缘体 除高分子材料外 大多数共价结合的材料其延性和展性都比较差 共价键的结合形式在材料中很普遍 高分子聚合物中的长链分子本身也是由共价键结合而成 当然 在聚合物中还含有大量结合力很弱的次价键 例如 在甲烷分子中 碳原子分别与四个氢原子结合 碳原子最外层有四个价电子 氢原子最外层有一个价电子 碳原子分别与四个氢原子通过电子对共用形成具有八个电子的稳定结构 同时 共用电子对还与两个成键原子的原子核互相吸引 构成了甲烷分子中的共价键 低价的金属元素往往失掉外层的价电子 从而剩下只有原子核和内层电子组成的核心 成为带正电荷的离子 这时价电子不再与任何一个特定的原子有特殊的关系 而是在金属正离子之间自由地运动 成为与若干个离子相关的电子 从而把金属原子结合起来 通过这种相互作用而产生的结合称为金属键 3 金属键 金属键无饱和性和方向性 具有良好的延展性 并且由于自由电子的存在 金属一般都具有良好的导电 导热性能 虽然一种材料的原子可以由单一的键结合而成 但更多的则是由两种以上的键力结合而成 我们称之为混合键 事实上 很少有化合物呈现纯离子键和共价键 许多材料 甚至某些金属材料 都是以三种主要键合机制的复杂混合方式结合的 4 物理键 惰性气体的原子和某些饱和分子在一定条件下可以形成固体 在它们的固体中其原子或分子是借范德华力相互结合起来的 这种结合键也称为分子键 物理键又称二次键或次价键 要比一次键弱得多 分子间的引力永远存在于分子之间 与分子内部原子间化学键相比是较弱的 事实上 这种键在所有原子与分子中均存在 但当有任何一次键存在时 它的存在就会被遮盖忽略了 分子键对于许多聚合物的结构是相当重要的因素 它使聚合物的大分子结合起来成为固态 这正是聚乙烯具有良好可塑性的内部原因 若没有二次键 水在 80 就会沸腾 地球上所有生命也就不再存在了 二次键的作用对于具有稳定电子结构的惰性气体 以及以共价键结合的分子结构中的分子间的结合是很明显的 它是气体在很低温度下能凝聚成液体和固体的原因 物理键一般具有加和性 故高聚物大分子之间具有较强的整体作用 物理键可在很大程度上改变材料的性质 不同的高聚物之所以具有不同的性能 分子间的次价键力不同是一个很重要的因素 物理键有三个来源 即偶极之间的静电力 诱导力和弥散力 这三种力的比例取决于结构 氢键是一种特殊的分子间的作用力 它是由氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子相结合而产生的具有比一般次价键大得多的键力 5 氢键 氢键具有饱和性 氢键在高分子材料中特别重要 它是使尼龙这样的聚合物具有较大的分子间力的主要因素 氢键比范德华键强 氢键实质上是极性分子的一种特殊情况 它是这些次价键中最强的 而且比较普遍 金属 陶瓷及高分子材料的一系列特性都和原子的排列密切相关 1 2 3原子排列 原子排列可分为三个等级 无序排列 短程有序 长程无序 长程有序 材料一般是以固体状态使用的 按固体中原子排列的有序程度 固体有非晶态结构 结晶态结构两种基本类型 惰性气体原子的无规则排列 水蒸气短距离内有序 玻璃短距离内有序 金属等固体材料的原子有序性遍及整个材料 原子排列近程有序而远程无序的结构称为非晶态结构或无定形结构 非晶态结构又称玻璃态结构 1 2 4非晶态结构 玻璃态结构的形成主要决定于熔体的粘度 粘度大 冷却时难以实现分子或离子长程有序的排列而形成玻璃态结构 多数聚合物 由于有长链状大分子 一般容易生成玻璃态结构 玻璃化的难易除粘度因素外 还与冷却速度密切相关 冷却速度越快 越易形成玻璃态结构 具有非晶态结构材料的共同特点是 结构长程无序 物理性质一般是各向同性的 没有固定的熔点 而是一个依冷却速度而改变的转变温度范围 塑性形变一般较大 导热率和热膨胀性都比较小 工程材料之所以能够在机械 车辆 船舶 建筑 化工 能源 仪器仪表 航天工业等工程领域中得到广泛应用 是因为它具有良好的工艺性能和优良的使用性能 所谓工艺性能是指制造工艺过程中材料适应加工的性能 金属材料的工艺性能包括铸造性能 锻造性能 焊接性能 切削加工性能和热处理工艺性能等 1 3材料的性能 所谓使用性能是指材料制成零件或产品后 在使用过程中能适应或抵抗外界对它的力 化学 电磁 温度等作用而必须具有的能力 使用性能又可分为 力学性能 包括各种强度 塑性 韧性 硬度以及断裂韧性等 物理性能 包括密度 熔点 导电 导热 磁性以及膨胀系数等 化学性能 包括抗氧化 耐腐蚀性能等 材料的性能可分为两类 一种称之为特征性能 使用性能 包括热学 力学 电学 磁学 光学等性能 是属于材料本身所固有的性质 另一种称为功能物性 是指在一定条件下和一定限度内对材料施加某种作用时 通过材料将这种作用转换为另一形式功能的性质 材料特征性能有以下几种 1 3 1特征性能 1 热学性能 2 力学性能 3 电学性能 4 磁学性能 5 光学性能 6 化学性能 固体材料加热的时候 有三个重要的热效应 即吸热 热膨胀和传热 这三个热效应可用三个参数分别予以描述 即热容 线膨胀系数和热导率 1 热学性能 摩尔热容是1mol的材料温度升高1 或1K所需的热量 在工程计算时 通常采用比热容 或称比热 即单位质量物质的热容 J kg 1 K 1 材料的结构对比热容的影响不大 热膨胀 大多数固体材料都会随着环境温度的升高而发生膨胀 膨胀的原因是原子受热后其能量增大 发生了偏离平衡位置的振动 导致了原子间距离的增加 从而使材料在宏观上表现出体积或线性尺寸的增大 材料的热膨胀性常用其线性膨胀系数 表示 其含义是温度上升1 时 单位长度的伸长量 单位为 1 热导率 一个物体各部分温度不均匀或两个温度不同的物体相接触 就会发生热能从高温区向低温区的传输 这种现象叫做导热 比例系数k称为热导率 单位为W m K 负号表示热能从高温向低温传输 热导率是表征材料传输热量的能力 k值越大 材料的导热性越好 在固体材料中 金属导热系数最大 陶瓷和高聚物等非金属材料 都是热的不良导体 所谓材料的力学性能是指在外加载荷 外力 作用下或载荷与环境因素联合作用下所表现的行为 强度 硬度 塑性 韧性等都属于材料的力学性能 2 力学性能 材料的力学性能决定于材料的化学成分 组织结构 冶金质量等内在因素 但外在因素 如载荷性质 应力状态 温度 环境介质等对材料的力学性能也有很大影响 1 强度 强度是指材料抵抗变形和断裂的能力 工程上衡量材料强度的指标有 弹性极限 屈服极限 抗拉强度 断裂强度等 它们可以在应力 应变曲线上测得 2 塑性 工程材料根据断裂前是否发生塑性变形 可将它们分成两大类 脆性材料和塑性材料 陶瓷 玻璃 普通灰铸铁等属于脆性材料 大多数金属及聚合物属于塑性材料 3 硬度 硬度是材料表面局部抵抗变形的能力 硬度实验通常采用压痕法 压痕面积越大 越深 材料的硬度就越低 4 韧性 材料的韧性是材料断裂时所需要能量的度量 能量是力和距离的乘积 是材料的强度与塑性高低的综合反映 用焦耳表示 在强度相等的情况下 延性材料断裂时所需要的能量比脆性材料