环境材料学重点

1 章章 绪论绪论 1 1 环境材料的含义环境材料的含义 1 2 环境材料的研究背景环境材料的研究背景 1 3 环境材料的研究内容与任务环境材料的研究内容与任务 1 4 环境材料学的发展概况环境材料学的发展概况 2 章章 材料科学基本知识材料科学基本知识 3 章章 材料的环境协调性评价材料的环境协调性评价 4 章章 材料的生态设计与理论材料的生态设计与理论 8 章章 金属材料概论金属材料概论 8 1 钢铁钢铁 铸铁铸铁 含碳量在 2 1 4 0 之间 多数铸铁中的碳以石墨形式存在 石墨的形状对性能影响 较大 铸铁有很高的耐压强度 耐蚀性和良好的铸造性 耐磨性 消振性和切削性 而且价 格低廉 工业应用十分广泛 加入不同的合金元素可铸成耐热铸铁 耐蚀铸铁和耐磨铸铁等 在可能的条件下 以 铁代钢 以铸代锻 可产生巨大的经济效益 一直是工业生产中的趋势之一 碳钢中的杂质对碳钢性能的影响碳钢中的杂质对碳钢性能的影响 钢在冶炼的时候 除了必须的合金元素外 不可避免的会从原料中带入一些杂质元素 杂质元素主要有硫 磷 丹 氢 砷 锡 锑等 这些杂质元素对钢组织和性能产生不利 的影响 硫易在钢种形成 FeS 共晶体 熔点很低 造成 热脆 磷使钢脆化 降低钢的塑形和韧性 产生 冷脆性 使钢的冷加工性能和焊接性能变 坏 氧容易在钢中形成氧化物 使性能下降 氢在钢中形成所谓 氢脆 现象 严重影响钢的塑性 钢的强度越高 脆性越大 造 成的危害也越严重 新钢中的开发新钢中的开发 1 钢中加入地球上含量丰富的 Si 元素 来代替部分重金属 W 和 Mo 2Si 可提高钢的抗氧化强度 并降低钢的韧 脆转变温度 3 应用还不广泛 9 章章 传统无机非金属类环境材料传统无机非金属类环境材料 9 1 结构陶瓷结构陶瓷 陶瓷材料陶瓷材料 陶瓷的物质结构 陶瓷的物质结构 陶瓷材料的相组成陶瓷材料的相组成 晶体相 玻璃相 气相 气孔 晶体相晶体相是陶瓷材料最主要的组成相 主要是某些固溶体或化合物 其结构 形态 数量及分布决定了陶瓷材料的特性和应用 晶体相又分为主晶相 次晶相和第三相 陶瓷中晶体相主要有含氧酸盐 硅酸盐 钛酸盐等 氧化物 MgO Al2O3 非氧化物 SiC Si3N4 等 玻璃相玻璃相的作用是将分散的晶体相粘结起来 填充晶体之间的空隙 提高材料 的致密度 降低烧成温度 加快烧结过程 阻止晶体转变 抑制晶粒长大 玻璃相是陶瓷 材料中原子不规则排列的组成部分 其结构类似于玻璃 玻璃相对陶瓷强度 介电常数 耐热性能是不利的 气相 气孔 气相 气孔 陶瓷中气孔主要是胚体各成分在加热过程中单独或互相发生物 理 化学作用所生成的空隙 这些空隙可由玻璃相来填充 还有少部分残留下来形成气孔 气孔对陶瓷的性能是不利的 它降低材料的强度 是造成裂纹的根源 陶瓷材料的结合键陶瓷材料的结合键 陶瓷材料的组成相的结合键为离子键 MgO Al2O3 共价键 金刚石 Si3N4 以及 离子键与共价键的混合键 以离子键结合的晶体称为离子晶体 离子晶体在陶瓷材料中占有很重要的地位 它具 有强度高 硬度高 熔点高等特点 但这样的晶体脆性大 无延展性 热膨胀系数小 固 态时绝缘 但熔融态可导电等特点 金属氧化物晶体主要以离子键结合 一般为透明体 以共价键结合的晶体称为共价晶体 共价晶体具有方向性和饱和性 因而共价键晶体 的原子堆积密度较低 共价晶体具有强度高 硬度高 熔点高 结构稳定等特点 但它脆 性大 无延展性 热膨胀系数小 固态 熔融态时都绝缘 嘴硬的金刚石 SiC Si3N4 BN 等材料都属于共价晶体 玻璃相的作用是 陶瓷的晶体缺陷陶瓷的晶体缺陷 陶瓷材料的晶体缺陷 陶瓷材料的晶体缺陷 陶瓷材料主要是离子键和共价键 这两种结合键造成位错的可动性 降低 当位错滑移时 离子键中同号离子相斥 导致离子键断裂 而共价键的方向性和饱 和性 具有确定的键长和键角 位错的滑移也会导致共价键的破断 陶瓷的性能特点陶瓷的性能特点 力学性能 力学性能 硬度 陶瓷的硬度很高 多为 1000Hv 1500Hv 普通淬火钢的硬度 500 800Hv 陶 瓷硬度高的原因是离子晶体中离子堆积密度大 以及共价晶体中电子云的重叠程度高引起 的 刚度 陶瓷的刚度很高 刚度是由弹性模量衡量的 而弹性模量又反映其化学键的键 能 离子键和共价键的键能都要高于金属键 因此陶瓷材料的弹性模量要高于金属材料 强度 陶瓷材料的强度取决于键的结合力 理论强度很高 但陶瓷中由于组织的不均 匀性 内部杂志和各种缺陷的存在 使得陶瓷材料的实际强度要比理论强度低 100 多倍 陶瓷材料的强度也受晶粒大小的影响 晶粒越细 强度越高 此外 陶瓷材料一般具有优 于金属材料的高文强度 高温抗蠕变能力 且有很高的抗氧化性 常用于高温材料 塑性与韧性 陶瓷材料的塑性和韧性较低 这是陶瓷材料最大的弱点 陶瓷材料收到 载荷时在不发生塑性变形的情况下 就发生断裂 断裂是裂纹形成和扩展的过程 陶瓷内 部和表面所产生的微裂纹 由于裂纹尖端的应力集中 内部裂纹在受到外应力时扩展很快 这是导致陶瓷材料断裂的根本原因 热学性能 热学性能 热容 陶瓷材料在低温下热熔小 在高温下热容增大 熔点 陶瓷材料由离子键和共价键结合 因此具有较高的熔点 热膨胀 陶瓷材料的热膨胀系数小 这是由晶体结构和化学键决定的 一般为 10 5 10 6 K 电学性能 电学性能 陶瓷材料是良好的绝缘体 可用于隔电的绝缘材料 陶瓷还具有介电特性 可作为电器 的介质 陶瓷的介电损耗很小 可大量制造高频 高温下工作的器件 光学性能 光学性能 陶瓷材料由于晶界和气孔的存在 一般是不透明的 可通过烧结方法的改变和控制晶 粒的大小 制备出透明的氧化物陶瓷 陶瓷的加工方法陶瓷的加工方法 配料配料 成形成形 煅烧煅烧 结构陶瓷的种类结构陶瓷的种类 结构陶瓷的种类 结构陶瓷的种类 1 氧化物结构陶瓷 特点 化学稳定性好 抗氧化性强 熔融温度高 高文强度高 如 Al2O3 陶瓷 ZrO2 陶瓷 BeO 陶瓷 MgO 陶瓷 Al2O3 陶瓷陶瓷 Al2O3 陶瓷又称高铝陶瓷 主要成分是 Al2O3 和 SiO2 主晶相为刚玉 Al2O3 随着 SiO2 质量百分数的增加 还会出现莫来石和玻璃相 根据陶瓷肧中主晶相 的不同 分为刚玉瓷 刚玉 莫来石瓷和莫来石瓷 Al2O3 有三种结晶形态 即 型 型是高温型 而 型是低温型 Al2O3 陶瓷的性能及应用陶瓷的性能及应用 1 强度高 2 硬度高 机械加工磨料 磨具 切削工具等 3 熔点高 抗腐蚀 耐火材料 炉管 热电偶保护套等 4 化学稳定性好 坩埚 人体关节 人工骨骼 5 电绝缘性好 基板 火花塞 电路外壳 6 光学性能好 制成透光材料 微波整流罩窗口 激光振荡原件等 ZrO2 陶瓷 陶瓷 ZrO2 陶瓷有三种晶型 常温下是单斜晶系 1000 度以上为四方晶系 到 2300 度以上又转变成立方晶系 由单斜向四方的转变是可逆的 并伴随有 7 的体积变化 导致陶瓷在烧结时容易开裂 为此 要加入适量的稳定剂 如 Y2O3 BeO 陶瓷 陶瓷 BeO 晶体无色 属六方晶体 在固态下无晶型转变 结构稳定 BeO 陶瓷的导 热系数大 线膨胀系数不大 抗热震性高 高温电绝缘性好 电导率低 介电常数高 硬 度与 Al2O3 差不多 化学稳定性好 是抵抗炭还原作用最强的一种氧化物 2 碳化物结构陶瓷 特点 高耐火度 高硬度 高耐磨性 SiC 陶瓷有两种晶体结构 SiC 和 SiC 前者属六方晶系 是高温稳定相 后者 属等轴晶系 是低温稳定相 SiC 陶瓷的莫氏硬度 13 在 1400 度的高温下任然能保持相当高的弯曲强度 SiC 陶瓷 有很高的热传导能力 抗蠕变性能好 对酸性熔体有很强的抵抗力 但不抗强碱 SiC 陶瓷主要用作高温结构材料 如火箭尾喷管的喷嘴 热电偶套管等高温零件 还 可用于高温下热交换器 3 氮化物结构陶瓷 特点 高耐火度 高硬度 高耐磨性 Si3N4 陶瓷是强共价键材料 原子结合力强 属六方晶系 Si3N4 陶瓷的性能特点陶瓷的性能特点 Si3N4 陶瓷具有良好的化学稳定性 能抵抗除氢氟酸以外的各种酸 碱和熔融金属的 侵蚀 具有优异的绝缘性 硬度高 摩擦系数小 是一种优良的耐磨材料 线膨胀系数小 热导率高 抗热震性好 室温强度虽然不高 但高文强度较高 陶瓷的应用陶瓷的应用 普通陶瓷 日用陶瓷 工业陶瓷 普通陶瓷 日用陶瓷 工业陶瓷 建筑陶瓷 电气绝缘陶瓷 化工陶瓷 卫生陶瓷 建筑陶瓷 电气绝缘陶瓷 化工陶瓷 卫生陶瓷 日用陶瓷日用陶瓷 一般应具有良好的百度 光泽度 透光性 热稳定性和强度 日用陶瓷主要应用于茶具 餐具和工艺品 普通工业陶瓷普通工业陶瓷 建筑陶瓷 以黏土为主要原料而制得的用于建筑物的陶瓷 粗陶瓷 以难容黏土为主要原 料 包括赚 瓦 盆罐等 精陶瓷 以瓷土和高岭土为主要原料 包括釉面砖 建筑卫生 陶瓷等 炻瓷 以陶土和黏土为主要原料 包括地砖 外墙砖 耐酸陶瓷等 卫生陶瓷卫生陶瓷 以高岭土为主要原料而制得的用于卫生设施的带釉陶瓷制品 有陶质 炻瓷质合瓷质等 电气绝缘陶瓷电气绝缘陶瓷 又称电瓷 是作为隔电 机械支撑及连接用的瓷质绝缘器件 分为低压电瓷 高压电瓷和 超高压电瓷等 化工陶瓷化工陶瓷 要求耐酸 耐高温 具有一定强度 主要用于化学 化工 制药 食品等工业 9 2 功能陶瓷功能陶瓷 功能陶瓷材料功能陶瓷材料 什么是什么是 功能陶瓷功能陶瓷 功能陶瓷是指具有电 光 磁以及部分化学功能的多晶无机固体材料 其功能的实现 主要来自于它所具有的特定的电绝缘性 半导体性 压电性 铁电性 磁性 生物适应性 等 压电效应压电效应 当外力作用于晶体时 发生与应力成正比例的介质极化 同时在晶体两端将出现正负 电荷 这种由于形变而产生的电效应 成为压电效应 反之 当在晶体上施加电场引起极 化时 将产生与电场成比例的变形或压力 称之为逆压电效应 材料的压电效应取决于晶 体结构的不对称性 晶体必须有极轴 才有压电效应 压电陶瓷的种类压电陶瓷的种类 压电陶瓷主要有钛酸钡 钛酸铅 锆钛酸 PZT 改性 PZT 等 压电陶瓷压电陶瓷 压电陶瓷的晶体结构随温度的变化而变化 对于钛酸钡和钛酸铅 当温度高于居里温 度 Tc 时 为立方晶体 具有对称性 无压电效应 低于 Tc 时 为四方晶体 具有非对称 性 有压电效应 压电陶瓷的有点是价格便宜 可以批量省察 能控制极化方向 添加不同成分 可改 变压电特性 压电陶瓷的应用压电陶瓷的应用 压电陶瓷可用作超声波发生源的振子或水下测声聘仪器上的振子 也可用作声转换器 同时压电陶瓷收到机械应力的作用时 由压电效应发生的电能可用于煤气灶的点火器 和打火机等 压电陶瓷还可用于滤波器等 光电陶瓷光电陶瓷 光电导现象和光电陶瓷光电导现象和光电陶瓷 当光电陶瓷受到光照射时 由于能带间的迁移和能带与能级间的迁移而引起光的吸收 现象时 能带内产生自由载流子 而使电导率增加 这种现象称为光电导现象 光电陶瓷是具有光电导效应的陶瓷材料 信息领域 信息领域 用作高速转换元件 通信元件和连接电路 生物医学领域 生物医学领域 用于核磁共振断层摄像仪 量子干涉仪 粒子线治疗装置等 电子能源领域 电子能源领域 用于超导磁体发电 超导输电 超导储能等 磁性陶瓷磁性陶瓷 什么是铁氧体 铁氧体是铁和其他金属的复合氧化物 MO Fe2O3 M 代表一价 二价金 属 铁氧体属半导体 电阻率在 1 10 10 m 由于电阻率高 涡流损失小 介质耗损低 故广泛用于高频和微波领域 磁性陶瓷主要指铁氧体 铁氧体包括软磁铁氧体和硬磁铁氧体 敏感陶瓷敏感陶瓷 应用应用 1 马达的过热保护 液面深度测量 温度控制和报警 非破坏性保险丝 晶体管过热保 护 温度电流控制器等 2 彩色电视机自动消磁 马达启动器 自动开关等 3 等温法热件 空调加热器等 压敏电阻瓷套压敏电阻瓷套 电阻值对外加电压敏感的陶瓷材料 电压提高 电阻率下降 压敏陶瓷有 SiC Si Ge ZnO 等 以 ZnO 的性能最优 具有高非线形 大电流和高 能量承受能力 湿敏电阻陶瓷湿敏电阻陶瓷 将湿度信号转化成电信号的陶瓷材料 ZnO Cr2O3 陶瓷 Zn Cr2O3 Fe2O3 陶瓷 MgCr2O4 TiO2 陶瓷 应用 用于湿度指示 记录 预报 控制和自动化等 磁敏电阻陶瓷磁敏电阻陶瓷 将磁性物理量转化成电信号的陶瓷材料 应用 可用来监测磁场 电流 角度 转速 相位等 汽车工业中无触点汽车点火开关 在计算机工业中霍尔键盘 家用电器和工业上无刷电机 和无触点开关等 超导陶瓷超导陶瓷 1986 年超导陶瓷的出现 使超导体的临界温度 Tc 有了很大提高 出现了高温超导体 超导陶瓷主要有 1 镧系高温超导陶瓷 以 La2CuO3 为代表 2 釔系高温超导陶瓷 以 YBa2Cu2Oy 为代表 3 铋系高温超导陶瓷 以 Bi Sr Cu O 为代表 4 铊系高温超导陶瓷 以 Ta Ba Cu O 为代表 光学陶瓷光学陶瓷 光学陶瓷 能够透光的陶瓷材料光学陶瓷 能够透光的陶瓷材料 要求 具有优良的耐热性 耐风化性 耐膨胀性 除了能透过可见光外 还能够波长更长 或波长更短的光 光损耗低 能在远距离进行光传播 经光的照射 其性质发生可逆或不 可逆变化 光学陶瓷 1 激光陶瓷 2 红外光学陶瓷 3 透明陶瓷 氧化物透明陶瓷 非氧化物透明 陶瓷 陶瓷材料怎样才能透明陶瓷材料怎样才能透明 在各向同性晶体构成的多晶体中 晶界不产生散射 不存在气孔等缺陷时 是透明的 在各向异性的晶体中 光从一个晶粒向邻近的晶粒入射时 由于双折射 现象而产生散射 是不透明的 若要得到透明多晶体 双折射必须很小 制造透明陶瓷的关键 制造透明陶瓷的关键 消除气孔和控制晶粒异常长大 1 添加微量或少量的添加剂 2 改变烧结气氛 3 改变原料 4 采用先进的烧结技术 氧化物透明陶瓷氧化物透明陶瓷 Al2O3 Gd2O3 CaO LiAl5O8 MgO HfO BeO 等 非氧化物透明陶瓷非氧化物透明陶瓷 GaAs ZnS ZnSe MgF2 等 9 3 玻璃玻璃 玻璃材料玻璃材料 玻璃 什么是玻璃 凡熔融体通过一定方式冷却 因粘度增加而具有固体性质与一定结构特征的 非晶态物质 都成为玻璃 种类 钠钙玻璃 石英玻璃 铅玻璃 硼硅酸盐玻璃 钢化玻璃 变色玻璃 徽晶玻璃 彩色玻 璃 磨光玻璃 夹层玻璃 磨砂玻璃 压花玻璃 玻璃的性质玻璃的性质 力学性质力学性质 理论强度高 实际强度低 抗压强度高 抗拉强度低 硬度高 脆性大 物理性质物理性质 高度透明 具有很重要的光学性质 能投可见光和红外线 化学性质化学性质 化学性质稳定 抗酸腐蚀 但不抗碱 玻璃的生产方法玻璃的生产方法 压制而成 拉制而成 吹制而成 加工纤维 9 4 水泥水泥 水泥材料水泥材料 原料 石灰石 黏土 铁粉 煤粉 矿化剂等 硅酸盐水泥制备工艺 硅酸盐水泥制备工艺 配料 粉磨 成球 煅烧 1300 1450 粉磨 包装 配料 粉磨 成球 水泥的生料 煅烧 水泥的熟料加石膏 普通水泥 水泥的熟料加 矿渣 矿渣水泥 水泥熟料加粉煤灰 粉煤灰水泥 水泥熟料加火山灰 火山灰水 泥 硅酸盐水泥的主要矿物成分对水泥性能的影响 硅酸盐水泥的主要矿物成分对水泥性能的影响 1 提高 C3S 可以提高水泥的强度 得到高强水泥 2 提高 C3A C3S 提高 C2S 可以得到快硬水泥 3 降低 C3A 和 C3S 提高 C2S 可以得到中低热水泥 4 提高 C4AF 降低 C3A 可以得到道路水泥 9 5 生态水泥与绿色混凝土生态水泥与绿色混凝土 混凝土 混凝土 混凝土是由胶凝材料 骨科和水 有些品种的混凝土中可不加水 按适当的比例 拌合而成的混合物 经一定时间后硬化而成的人造石材 简写为 砼 混凝土按所用胶凝 材料分为水泥混凝土 石膏混凝土 沥青混凝土等 施工中混凝土一般就是用一定比例的 水 水泥 石子组成的 生态水泥生态水泥 生态水泥是指用城市的垃圾灰 下水道或污水处理厂的污泥及其它的工业废弃物等作 为水泥的原料制造的水泥 用这种水泥制作混凝土可以有效解决废弃物处理占地 石灰石 资源和节省能源的问题 绿色混凝土绿色混凝土 有三种类型的绿色混凝土有三种类型的绿色混凝土 高性能混凝土 生态混凝土 再生混凝土 生态混凝土包括生态混凝土包括 透水性混凝土 绿化混凝土 吸声混凝土 绿色混凝土是指能够适用绿色植物生长 进行绿色植被的混凝土及其制品 绿色混凝土是指能够适用绿色植物生长 进行绿色植被的混凝土及其制品 有三种类型 有三种类型 1 孔洞型绿化混凝土块体材料 在块体材料的形态上设计了一定比例的空洞 为了绿色植被提供空间 2 多孔连续型绿化混凝土 连续型绿化混凝土以多孔混凝土作为股价结构 内部存在着一定量的连续空隙 为混凝土 表面的绿色植物提供根部生长 吸收养分的空间 3 孔洞型多层结构绿化混凝土块体材料 这是种采用多空混凝土并施加空洞 多层板复合制成的绿化混凝土块体材料 再生混凝土再生混凝土 背景 混凝土生产需要大量的天然砂石骨料 生产 1 立方米的混凝土大约需要 1700 2000kg 的砼石骨料 目前 全世界内年混凝土的使用量大约在 20 亿立方米 砼石骨料大约为 34 40 亿吨 这个数字是非常惊人的 如此巨大的砼石骨料需求必然导致大量的开山采石 最终结果会导致生态环境的破坏 另一方面 世界每年拆除的废旧混凝土 新建建筑产生的废弃混凝土以及混凝土工厂 预制构件厂排放的废旧混凝土的数量是巨大的 根据 1996 2000 年的 10 年间 废弃混凝土 包括从钢筋混凝土工厂不合格的产品 总量超过 10 亿吨 传统的建筑垃圾处理方法主要 是运往郊外堆放或填埋 这不仅占有大量的耕地 而且造成环境污染 部分或全部骨料用再生骨料配制的混凝土称 再生混凝土 再生混凝土 将废弃物清洗 破碎和筛分等加工处理 生产混凝土的骨料 再生骨料 再生骨料 10 章高分子材料概论章高分子材料概论 高分子材料概述高分子材料概述 高分子的含义 高分子的含义 分子量很大 10 4 10 7 甚至更大 分子似 一条链 由许多相同的结构单元组成 以共价键的形式重复连接而成 与小分子比较 与小分子比较 分子量不确定 只有一定的范围 是分子量不等的同系物的混合物 没有固定熔点 只有一段宽的温度范围 分子间力很大 没有非典 加热到 200 300 以上 材料破坏 降解或交联 高分子材料发展简史高分子材料发展简史 天然高分子的利用 天然高分子改性 1 天然橡胶硫化 1839 年 2 硝化纤维赛璐珞 1868 年 3 粘胶纤维 1893 1898 年 合成高分子 1 20 世纪初 出现了酚醛树脂 2 1920 年 Staudinger 提出高分子概念 3 30 年代 40 年代 飞速发展 4 70 年代 特种性能的高分子 高分子材料形成过程高分子材料形成过程 石油 天然气 煤炭等 裂解反应 单体 聚合反应 高分子聚合物 加工 高分子材料 高分子化合物的组成高分子化合物的组成 1 由简单的结构单元重复连接而成 如由乙烯合成聚乙烯 2 组成聚合物的低分子化合物称为单体 3 聚合物的分子为很长的链条 称为大分子链 4 大分子链中重复结构单元称为链节 热塑性与热固性热塑性与热固性 热塑性塑料 热塑性塑料 受热后软化 冷却后又变硬 可重复循环 热固性塑料 热固性塑料 由单体直接形成网状聚合物或通过交联线型预聚体而形成 一旦形成交联聚 合物 受热后不能再回到可塑状态 制品不溶不熔 优点 优点 质轻 电绝缘 耐化学腐蚀 容易成形加工等 缺点 缺点 力学性能比金属材料差 表面硬度低 大多数品种易燃 耐热性差 高分子材料的结构高分子材料的结构 1 大分子链的结构大分子链的结构 1 大分子链的柔顺性 大分子链主链共价键有一定键长和键角 保持键长和尖叫不变时单键可任意旋转 称 单键的内旋转 内旋转使大分子链卷曲成各种不同形状 对外力有很大的适应性 这种特性称为大分子 链的柔顺性 柔顺性与单键内旋转的难易程度有关 2 大分子链的形状 按照大分子链的几何形状 可将高分子化合物分为线型结构 支链型结构和体型 结构 线型结构高聚物的弹性 塑性好 硬度低 是热塑性材料 支链型结构近于线型 结构 体型结构高聚物硬度高 脆性大 无弹性和塑性 是热固性材料 2 高分子的聚集态结构高分子的聚集态结构 1 固态高聚物分为晶态和非晶态两大类 晶态为分子链排列规则的部分 而排列不规则的 部分为非晶态 2 一个大分子链可以穿过几个晶区和非晶区 晶区熔点 密度 强度 硬度 刚性 耐热 性 化学稳定性高 而弹性 塑性 冲击强度下降 高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态 1 线型非晶态高分子材料的力学状态线型非晶态高分子材料的力学状态 1 玻璃态 低温下 链段不能运动 在外力作用下 只发生大分子原子的微量位移 产 生少量弹性变形 高聚物呈玻璃态的最高温度称玻璃花温度 用 Tg 表示 用于这种状态的材料有塑料 和纤维 2 高弹态 温度高于 Tg 分子活动能力增加 受力时产生很大弹性变形 除去外力后 形变可恢复 用于这种状态高聚物是橡胶 3 粘流态 由于温度高 分子活动能力很大 在外力作用喜爱 大分子链可以相对滑动 粘流态是高分子材料的加工态 大分子链开始发生粘性流动的温度称粘流温度 用 Tf 表示 2 线型晶态高分子材料的力学状态线型晶态高分子材料的力学状态 1 分为一般分子量和很大分子量两种情况 一般分子量的高聚物在低温时 链段不能活 动 变形小 在 Tm 以下与非晶态的玻璃相似 高于 Tm 则进入粘流态 分子量很大的 晶态高聚物存在高弹态 2 部分结晶高聚物使用温度在非晶区 Tg 与晶区 Tm 间 非晶区柔性好 晶区刚性好 处 于韧性状态 即皮革态 高分子材料分类高分子材料分类 高分子材料分类 高分子材料分类 1 按材料来源分来 天然高分子 合成高分子 2 按材料性能和用途分类 塑胶 橡胶 纤维 三大合成纤维 涂料 粘合剂 功能高分子 塑料 橡胶 纤维 塑料 橡胶 纤维 称为三大合成材料 全世界产量有 1 亿多吨 1 塑料主要产品种有 聚乙烯 聚丙烯 聚氯乙烯 聚苯乙烯等 2 合成橡胶主要用途为制造轮胎 约占 60 3 合成纤维主要品种有 涤纶 PET 尼龙 聚丙烯晴 聚丙烯等 三大高分子材料的比较三大高分子材料的比较 纤维 分子量 1 7 万 加工方法 熔融纺丝 机械性能 高强度 35000N cm3 高模 量 35000N cm3 低伸长率 5 50 塑料 分子量 6 30 万 加工方法 挤出 注塑 吹塑成型等 机械性能 介于两者之间 橡胶 分子量 15 30 万 加工方法 硫化交联 机械性能 出事模量很低 高弹性形变 500 1000 3 按结构单元的化学组成分类 碳链高分子 主链以 C 原子间共价键相联结 加聚反应制得 如聚乙烯 聚氯乙烯 聚 丙烯 聚甲基丙烯酸甲酯 聚丙烯 杂链高分子 主链除 C 原子外还有其他原子如 O N S 等 并以共价键联接 缩聚反 应而得 如聚对苯二甲酸乙二酯 涤纶 聚酯聚胺 聚甲醛 聚苯醚 聚酚等 元素有机高分子 主链中不含 C 原子 而有 Si B P Al Ti As 等元素与 O 组成 其侧链为有机集团 兼有无机高分子和有机高分子的特性 既有很高耐热和耐寒性 又具有较高弹性和可塑性 如硅橡胶 无机高分子 主链既不含 C 原子 也不含有机基团 而完全由其它元素所组成 这类 元素的成链能力较弱 故聚合物分子量不高 并易水解 塑料塑料 1 是一类在常温下具有固定的形状和强度 在高温下具有可塑性的高分子材料 2 通用塑料 聚乙烯 PE 聚丙烯 PP 聚氯乙烯 PVC 聚苯乙烯 PS ABS 树脂 有机玻璃 PMMA 3 工程塑料 尼龙 PA 聚碳酸酯 PC 聚酯 PET 4 特种塑料 聚四氟乙烯 PTEF 有机硅树脂 5 塑料的主要用途 1 包装材料 塑料薄膜 中空容器 塑料周转箱 编织袋 泡沫塑料等 2 建筑材料 塑料门窗 塑料板材 人造大理石装饰板 塑料管道 6 常见塑料的用途 聚乙烯 聚乙烯 PE 产品 产品 特点 无毒 化学稳定性好 适合做食品和药物的包装材料 聚乙烯从 1939 年开始工业化生产 是目前产量最大 应用最广泛的品种 低密度聚乙烯 低密度聚乙烯 LDPE 在各种聚乙烯中产量最大 主要用于生产薄膜 制造食品袋 垃圾袋 地膜 大棚膜等 约 10 用于生产注塑用品 线型低密度聚乙烯 线型低密度聚乙烯 LLDPE 主要用于生产薄膜 厚度比低密度聚乙烯更薄 制品性能 更好 还用于生产扁丝 制造编织袋 高密度聚乙烯 高密度聚乙烯 1 注塑制品 工业容器 家用器皿 玩具等 2 中空吹塑制品 食品 药品 化妆品的包装瓶等 3 薄膜制品 约占 20 大量用于食品包装 聚乙烯管材 聚乙烯管材 1 应用领域主要有 生活用水和煤气管道 农业排管用管道以及圆珠笔内的油墨管子等 2 质轻 坚韧耐磨 力学性能良好 使用寿命长 施工安装简便 输送阻力小 安全可靠 铺设费用低 超高分子量聚乙烯超高分子量聚乙烯 可作为工程塑料可作为工程塑料 1 在汽车 机械 原子能以及宇宙飞行等领域得到重要应用 2 具有优异的耐冲击和自润滑性 耐腐蚀 抗磨损 不粘着等特性 可作齿轮 轴套 滑 板 储罐衬里等 聚丙烯 聚丙烯 PP 性能 性能 密度 0 90 0 91g cm3 耐热性好 优良的耐化学药品和耐水性 有较好的物理机械性能 突出的耐应力开裂性 耐磨性和成形性好 应用 应用 1 汽车用树脂 保险杠 乙丙橡胶增韧 PP 仪表盘 电器元件 发动机风叶等 2 薄膜 有 包装皇后 之称 大量用于快餐食品 烟草的包装 还用于医用包装 各类 封面及广告宣传画等 3 纤维级 PP 地毯 无纺布 旅游制品 土工布 建筑材料等 发展前景广阔 聚氯乙烯 聚氯乙烯 PVC 特点 化学稳定性好 耐酸碱腐蚀 使用温度不宜超过 60 在低温下会变硬分为 软质 塑料和硬质塑料 聚苯乙烯 聚苯乙烯 PS 特点 PS 无色透明 相对密度 1 05 电绝缘性能优异 耐热性好 吸湿性低 质硬 刚 性强 耐化学性好 易被染色 有良好的加工性 应用 1 世界市场上 PS 主要用于包装 其次是电子 电器 发泡聚苯乙烯 EPS 质轻 隔 热 防震 价廉 用于建筑和包装 2 国内最大的市场是家电行业 国内彩色电视机外壳有 60 使用高抗冲聚苯乙烯 HIPS 氟塑料氟塑料 1 概念 氟塑料 各种含氟塑料的总称 2 聚四氟乙烯 PTFE 1950 年首先由杜邦公司投产 有 塑料王 之称 3 高结晶度聚合物 无熔融态 分解温度 400 可在 260 以下长期使用 耐低温 200 力学性能优异 光滑不黏 摩擦系数极小 具有自润滑性 耐化学腐蚀性机枪 耐 强酸 强碱 有机溶剂 能耐王水及沸腾的氢氟酸 具有塑料中最好的电绝缘性能 4 广泛用于化工机械和容器的防腐 耐磨密封 电绝缘等 橡胶橡胶 1 橡胶是一类具有高弹性的高分子材料 拉伸时能伸长到原长的几倍 拉里撤除后又能恢 复到原来的尺寸 橡胶分为天然橡胶和合成橡胶 2 忧郁种植天然橡胶的生产周期长 成本高 产量低 远远不能满足人类的需要 化学家 开始致力于合成橡胶的研究 3 橡胶的弹性 有软性 耐磨性 绝缘性和阻隔性都十分优良 用途十分广泛 在工业上 主要用于制备各种轮胎 50 以上 此外 传送带 马达皮带 自动扶梯把手 印刷用的 胶车昆 电缆电线的绝缘护套及劳保产品等也都由橡胶制造 农业上用于制灌溉胶管 生 活中的雨衣 胶鞋 热水袋 球类 玩具 输液管等也是用橡胶制成的 纤维纤维 1 人类使用天然纤维的历史已有好几千年 我国是利用天然纤维最早的国家之一 其中闻 名于世的蚕丝更是我们祖先的一项重大发现 2 天然纤维的生产也受到自然环境的限制 仅靠天然纤维来解决人们的穿衣问题是非常困 难的 唯一的出路是大力发展合成纤维 3 合成纤维的出现是在 20 世纪 30 年代 1938 年第一个化学纤维厂投产 生产尼龙 66 此后一系列合成纤维如腈纶 涤纶等先后研制成功 目前合成纤维的产量已经占工业纤维 的 100 和民用纤维的 50 4 合成纤维具有比天然纤维更优越的性能 强度高大 弹性好 耐磨 耐化学腐蚀性好 不会发霉 不怕虫蛀 不缩水 制成的衣服美观 坚固耐用 5 植被县委的聚合物必须具备如下条件 很好的纺丝性 较高的强度 较好的耐热性 较 好的手感 吸湿性 染色性 抗腐蚀和抗霉变性 6 最主要的合成纤维有三种 涤纶 聚酯纤维 是三种之中最挺括的纤维 锦纶 聚酰 胺纤维 最结实耐用的纤维 腈纶 聚丙烯腈纤维 最耐晒的纤维 聚酰胺 聚酰胺 PA 1 聚酰胺 PA 俗称尼龙 Nylon 是主链上含有酰胺基团的聚合物 2 是开发最早的工程塑料 约占工程塑料总产量的 1 3 3 优异的力学性能 耐磨性及无润滑摩擦性 较好的耐腐蚀性 耐油 耐溶剂性能 使用 温度 40 100 良好的阻燃性 缺点是吸水性较大 影响其尺寸稳定性 涂料涂料 1 涂料是一种液态或粉末状状态能均匀涂覆在物体的表面并形成坚韧保护膜的材料 2 涂料具有保护 装饰 色彩标志作用 某些材料还具有防腐 杀菌等特殊功能 3 涂料的主要组分有 成膜物 溶剂 颜料和填料 助剂等 4 涂料工业正向高质量 低成本 低污染及方便施工的方向发展 绿色环保已成为涂料发 展的主题 涂料的主要品种涂料的主要品种 1 涂料的品种非常繁多 由溶剂型涂料 高固含量 无溶剂辐射固化涂料及粉末涂料等 2 合成树脂漆 包括酚醛树脂漆 环氧树脂漆 聚氨酯树脂漆和丙烯酸树脂漆 形成的 漆膜质量较好 硬度高 耐磨性好 涂饰性能好 但使用的有机溶剂量大 会对环境和健 康带来不利影响 3 乳胶漆 包括聚醋酸乙烯酯涂料和丙烯酸酯系列乳液 数以水性涂料 其最大特点是涂 膜的物理性能优异 装饰效果好 耐水性好 耐腐蚀和耐紫外线性能优良 既可以用于中 高档装饰的内墙涂料 也可用作外墙涂料 胶黏剂胶黏剂 1 凡是能把同种的或不同种的固体材料表面连接在一起的物质统称为胶黏剂 如自行车补 胎用的胶水 信封封口用的糨糊等 2 胶黏剂的品种很多 组成不易 但一般都包含以下几种组分 基料 固化剂 溶剂 填 料以及其他助剂 3 随着经济和科学技术的发展 胶黏剂需求量愈来愈大 并已进入工业 农业 交通 医 学 国防以及人们日常生活各个领域 在国民经济中发挥愈来愈大的作用 胶黏剂的种类胶黏剂的种类 1 溶剂型胶黏剂 如市售的 自胶 广泛应用于家庭装潢和木材的粘结 再如 仪器的 塑料外壳破裂或损坏 将碎片溶于少量有机溶剂中个 再涂在断口处并压紧即可修补 2 热固性高分子树脂胶黏剂 如用于木材的尿醛树脂和酚醛树脂 用于船体 水坝补漏或 飞机 导弹等粘结的环氧树脂 用于粘结塑料 皮革的聚氨酯等 3 橡胶胶黏剂 如补车胎的胶水 房屋建筑防水密闭用的硅橡胶密封胶 4 压敏胶黏剂 如包装封口用的压箱带 作文具用的压敏胶带 商场的压敏标签等 功能高分子功能高分子 功能高分子概念功能高分子概念 在外部环境作用下 敏锐地表现出高选择性和特异性能的高分子化合物及高分子材料 功能高分子分类功能高分子分类 导电高聚物 液晶高分子 智能聚合物 高吸水性树脂 结构特点结构特点 具有 pai 电子共轭体系 特性特性 其电导率可在绝缘体 半导体和金属态范围内变化 导电高聚物导电高聚物 导电高聚物应用前景导电高聚物应用前景 二次电池 太阳能电池 传感器 电磁屏蔽材料 隐身材料 金属防腐 液晶高分子材料液晶高分子材料 液晶高分子的概念液晶高分子的概念 既具有液体的流动性 又有晶体的各向异性 液晶高分子的特点 液晶高分子的特点 强度和模量极高 液晶高分子的应用液晶高分子的应用 防弹背心 火箭发动机外壳 导弹壳体 阿波罗登月飞船软着陆降落伞 飞机吊绳 人造卫星电子部 件等等 聚合物分离膜聚合物分离膜 聚合物分离膜定义 聚合物分离膜定义 是具有选择性分离功能的材料 利用膜的选择性奋力实现液或气体的 不同组分的分离 纯化 浓缩的过程 聚合物分离膜的分类 聚合物分离膜的分类 依据其孔径的不同 或称为截留分子量 可将膜分为超滤膜 超滤膜 纳滤膜和反渗透膜 超滤膜 超滤膜 纳滤膜和反渗透膜 聚合物分离膜是由高分子材料做成的 如醋酸纤维素 芳香族聚酰胺 聚醚砜 聚氟聚合聚合物分离膜是由高分子材料做成的 如醋酸纤维素 芳香族聚酰胺 聚醚砜 聚氟聚合 物等等 物等等 高吸水性树脂高吸水性树脂 吸水材料很早就有 如脱脂棉 硅胶 海绵等 这些传统的吸水材料有局限 1 吸水率只有自身重的 20 40 倍左右 远不能满足人们的需要 2 这些材料吸水后 一旦受到外力的作用 如挤 压 就很容易脱水 而超高吸水性材料 能吸收自重成百上千倍的水 并且有很好的保水和贮水能力 超高吸水性材料的结构与性能 超高吸水性材料的结构与性能 1 结构 结构结构 1 高分子骨架 适度交联的网状结构 2 吸水官能团 COONa SO3Na CONH2 CH2 NH2 CH2 OH C N CH2 O CH2 树脂骨架的立体结构对吸水性能有影响 吸水功能团的种类对吸水性能有很大的影响 如 SO3Na 和 COONa 最好 OH C N 较差 树脂骨架树脂骨架 均匀的立体笼状 高分子链柔性 笼网适当大些 有利于高吸水性 吸水基种类吸水基种类 强电解质 如 SO3Na K COONa K 吸水基的数量和分布吸水基的数量和分布 数量越多越好 分布越均匀越好 用途 用途 用途很广 很有发展前途 1 农业 林业方面 土壤保土商 种子发芽 播种保苗 种子营养器 改造沙漠 林业上 育苗 植树 无土栽培 贵重数目的移栽 运输 可提高成活率 2 工业 日用化工 如 化妆品的增稠剂 石油工业中的堵漏剂 干燥剂 水泥制品养护 剂 3 医学方面 吸水绑带 病床垫 婴儿尿布等 4 环保方面 荒漠化治理 吸附重金属 分离有机物 防尘等 可降解高分子材料可降解高分子材料 常见可降解高分子材料常见可降解高分子材料 1 光降解高分子材料 在塑料中掺入光敏剂 如过度金属络合物 或 C O CHO 在日 照下使高分子材料逐渐分解 2 生物降解高分子材料 在微生物的作用下 可完全分解为低分子化合物的高分子材料 3 光 生物降解高分子材料 光降解和微生物相结合的一类高分子材料 它同时具有光和 微生物降解高分子材料的特点 光降解塑料举例光降解塑料举例 1 1 乙烯 乙烯 一氧化碳共聚物 一氧化碳共聚物 E COE CO mn COCHCHmCOCHnCH 22 MPa200230 22 摄氏度 2 乙烯 乙烯 乙烯基酮共聚物 乙烯基酮共聚物 Ecolyte E 生物可降解塑料的分类生物可降解塑料的分类 生物可降解机理的破坏形式 生物可降解塑料可分为完全生物降解塑料和生物破坏性 塑料两种 前者在微生物作用下在一定时间内完全分解为二氧化碳 水等小分子化合物 后者仅分解为散乱碎片 按制造方法分类可分为 天然高分子类 微生物合成类 人工合成类 天然高分子类天然高分子类 在天然高分子材料中可作为降解材料的有纤维 淀粉 甲壳素 木质素等 天然高分 子材料来自自然界又消失在自然界中 污染 来源丰富 价格低廉 它本身不具有塑性 但可通过自身化学改性或聚合物共混 共聚改性或添加到聚合物中改性可制成降解高分子 塑料 纤维素塑料纤维素塑料 主要是指纤维素跟其他材料共混 如纤维素衍生物 壳聚糖 蛋白质等 目前已商品化的有醋酸纤维素等生物降解材料 甲壳素甲壳素 甲壳素又称甲壳质 是虾 蟹等甲壳类动物或昆虫外壳和菌类细胞壁的主要成分 自 然界储量仅次于纤维素 它不溶于水和普通有机试剂 作为生物降解材料 主要是将其在 碱性条件下脱乙酰化生成壳聚糖 再与其他高分子材料共混可制成生物降解材料 淀粉淀粉 植物中广泛存在的淀粉 如薯类 玉米等 也可作为生物降解高分子材料的原料 由 于淀粉获取很容易 廉价 易于加工 技术相对成熟 近年来最受关注 淀粉具有生物降解性 具有结晶性 极性强 高亲水性等特点 但其热塑性较差 微生物合成类微生物合成类 在开发生物降解高分子材料的研究中 目前的一个热点是采用生物工程技术合成生物 降解高分子材料 以得到更价廉可降解塑料 其主要成分微生物聚脂 例如 利用遗传工 程把白杨木的叶子干燥 磨碎成细粉末 然后萃取出叶绿体 便可得到聚羟基丁酸酯 PHB 的母粒料 从而获得 PHB 降解塑料 它具有良好的物理性能 易分解等优点 人工合成类人工合成类 聚乙烯醇 PVA 聚乙二醇等水溶性高分子和己内脂 PCL 但它们作为塑料实用性 差 正在开发中的有聚酯聚酰胺共聚物 CPAE 脂肪族和芳香族共聚酯 CPE 聚氨基 酸等 商业性开发的聚乳酸 PLA 聚丁二酸丁二酯 PBS 等 11 章复合材料概论章复合材料概论 复合材料的种类复合材料的种类 复合材料 1 结构复合材料 1 金属基复合材料 2 陶瓷基复合材料 3 树脂基复合材料 4 水泥基复 合材料 2 功能复合材料 1 导电导磁复合材料 2 阻尼吸声复合材料 3 屏蔽功能复合材料 4 摩 擦磨损复合材料 复合材料的发展趋势复合材料的发展趋势 1 由宏观复合向微观复合发展 微纤增强复合材料 纳米复合材料 分子复合材料 2 向多元混杂复合和超混杂复合发展 例如两种纤维的复合应用 两种基体的复合应用等 3 由结构复合为主向结构复合与功能复合并重的方向发展 功能复合材料的开发与应用 4 由被动复合向主动复合材料发展 所谓被动就是指在外界作用下材料只能被动承受某种 作用或作出某种反应 主动材料就是指具备能自诊断 自适应和自修补作用材料 5 由常规设计向仿生设计方向发展 仿生设计就是利用某种生物体的特征 设计材料 仿 生设计可以参照生物体的功能机制设计出新的功能材料 增强机理增强机理 1 纤维增强纤维增强 纤维增强复合材料是指由高强度 高弹性模量的脆性纤维做增强体与韧性或 脆性基体经一定工艺复合而成的多相材料 设计纤维增强复合材料的目标设计纤维增强复合材料的目标 提高基体在室温下合高温下的强度和弹性模量 纤维增强复合材料中主要的新型纤维与晶须有 碳纤维 硼纤维 芳纶纤维 碳化硅纤维 氧化铝纤维以及碳化硅晶须 氧化铝晶须等 这些纤维与晶须的主要特点是 这些纤维与晶须的主要特点是 密度低 强度高 弹性模量高 线膨胀系数小等特点 纤维增强复合材料的机理 纤维增强复合材料的机理 1 微细的增强纤维因直径较小 产生裂纹的几率降低 2 纤维在基体中 彼此隔离 纤维表面受到基体的保护 不易受到损伤 不易在承载中产 生裂纹 增大承载力 3 复合材料受到较大应力时 一些有裂纹的纤维可能断裂 但塑性好和韧性好的基体能阻 止裂纹扩展 4 由于基体对纤维的粘结作用以及基体与纤维之间的摩擦力 使得复合材料的强度大大提 高 增强纤维起到强化基体作用必要条件 增强纤维起到强化基体作用必要条件 1 增强纤维的强度和弹性模量应比基体材料的高 增强纤维的弹性模量 E 越高 在相同应变量的条件下 所受应力越大 2 基体与纤维之间要有一定的粘结力 并具有一定的强度 结合强度小 纤维无法发挥主要承受载荷的作用 结合强度过大 会导致脆性断裂 降低 强度 3 纤维应有一定的含量 尺寸和分布 纤维越细 则缺陷越小 材料强度越高 同时细纤维的比表面积越大 有利于增强与基体 的结合力 4 纤维与集体之间的线膨胀系数相匹配 5 纤维与基体之间有良好的相容性 2 颗粒增强颗粒增强 颗粒增强复合材料是指由高强度 高弹性模量的脆性颗粒做增强体与韧性或脆性基体经一 定工艺复合而成的多相材料 颗粒增强复合材料的种类 颗粒增强复合材料的种类 纳米微细硬颗粒弥散增强 微米颗粒增强 颗粒增强复合材料的机理 颗粒增强复合材料的机理 根据颗粒的尺寸大小 可分为弥散增强复合材料弥散增强复合材料和真正颗粒增强复合材料真正颗粒增强复合材料 前者通常 是指尺寸为纳米数量级的微细硬颗粒弥散分布在集体中 后者是指微米数量级的颗粒增强 的复合材料 纯颗粒增强纯颗粒增强 在这种复合材料中 颗粒不是通过阻碍位错运动使材料强化 而是借助于限制颗粒临 近基体的运动 约束基本的变形来达到强化的目的的 3 弥散强化弥散强化 弥散分布在金属或合金基体中的硬颗粒可以有效地阻止位错运动 产生显著的强化作 用 这种复合强化机制类似于合金的析出强化机理 基本乃是承受载荷的主题 只是 这 些细小弥散的硬颗粒并非借助于相变产生的硬颗粒 他们在温度的升高时任然保持其原有 尺寸 因而 增强效果可在高温下持续较长时间 使复合材料的抗蠕变性能明显优于金属或 合金基体 弥散强化复合材料中弥散颗粒种类 金属氧化物 碳化物 硼化物 弥散强化复合材料中弥散颗粒种类 金属氧化物 碳化物 硼化物 增韧机理 增韧机理 1 纤维增韧 纤维增韧 由于定向 取向或无序排布的纤维加入 使得复合材料的韧性得到显著提高 单向排布长纤维增韧机理 单向排布长纤维增韧陶瓷基复合材料具有各向异性 沿纤维长度方向的纵向性能大大 高于横向性能 若材料中产生的裂纹平面垂直于纤维时 当裂纹扩展遇到纤维时 裂纹运动受阻 欲 使裂纹继续运动 必须提高外加应力 应力继续增大 纤维与基体解离 纤维从基体中拔 出 断裂或转向 从而使复合材料的韧性得到提高 多维多向排布长纤维增韧 克服了单向长纤维只在一个方向上性能得到提高的弱点 多向长纤维可实现陶瓷等脆 性材料在二维 三维方向上的性能提高 这种多维多向的排列方式有 将纤维编织成纤维布 纤维分层单向排布 层间纤维成一定角度 多维长纤维增韧的机理与单向一样 主要是通过纤维的断裂 拔出或转向提高韧性 短纤维增韧机理 短纤维增韧复合材料的制备工艺比长纤维的简便 通常是将长纤维剪断 3mm 再与基体粉体材料混合 热压制得 在热压时 短纤 维沿压力方向择优取向 产生性能上的各向异性 当短纤维的质量分数适当时 复合材料的断裂功显著提高 从而使断裂韧性得到提高 由图看出 纤维的质量分数适当时 复合 材料的断裂功显著提高 断裂韧性提高 而无 序分布时峰值减小 断裂韧性降低 韧性提高来自 纤维拔出 纤维断裂 裂 纹转向三方面 晶须增韧机理 晶须的增韧机理与纤维增韧机理基本相同 即主要靠晶须拔出桥连与裂纹转向机制对 韧性提高产生贡献 研究结果表明 晶须与界面的强度直接影响复合材料的韧性 界面强度过高 晶须与基体同时断裂 限制了晶须的拔出 而结合强度过低 晶须拔 出功减小 这两种情况都对韧性的提高不利 晶须桥连 晶须桥连 晶须桥连增韧是指在基体出现裂纹后 晶须承受外接载荷并在基体裂纹相对的 两边之间架桥 桥连晶须对基体产生一个使基体闭合的力 消耗外加载荷做功而使材料增 韧增加 2 颗粒增韧 颗粒增韧 影响其增韧效果的主要因素是基体与增强颗粒的弹性模量和热膨胀系数之差以及两相的化 学相容性 增韧机理主要包括 相变增韧 裂纹转向与分叉增韧 相变增韧 通过相变产生的体积膨胀 产生压缩应力 从而抵消外加应力 阻止裂纹的扩展 达到增 韧的目的 相变增韧特征 a 相变前后没有成分变化 具有无热 无扩散 相变激活能笑 相变速度 快的特点 b 相变伴随有体积变化 氧化锆增韧陶瓷就是利用 ZrO2 马氏体相变达到增韧目的的 当基体对氧化锆颗粒有足够的压应力 而氧化锆的粒度又足够小时 则氧化锆在室温 时任然可保持四方相 当材料受到外应力时 基体对氧化锆的压抑作用得到松弛 氧化锆颗粒即发生四方相 到单斜相的转变 并