材料概论考试资料教材

1、第一章 绪论第一节 材料的定义和分类一、材料的定义材料：可用于制造有用物品的物质。材料科学与工程 (MSE) ：研究有关材料的组成、 结构、 制备工艺流程与材料性能和 用途的关系，材料的产生及其作用。四要素：性质、结构与组成、合成与加工、使用性能。二、分类1、按用途(1) 结构材料：利用材料的强度、韧性、弹性等力学性能、用于制造在不同环境下工作时承 受载荷的各种构件和零件的材料。(2) 功能材料：利用材料的电学、磁学、热学和生物学功能及其相互转化的功能，用于非结 构目的的高技术材料。例：超导材料、微电子材料、光子材料、信息材料、能源转换及储能材料、生态环境材料、 生物医用材料及材料的分子、原子

2、设计等形状记忆合金是一种能记住自己在某一温度下的外部形状的合金材料， 在一定温度下， 形状记忆合金内部的微观结构会发生改变，外观就表现为自身形状的“自动”改变。“魔力水车”就是中国科技馆一件介绍“形状记忆合金”的展品。展品将形状记忆合金 材料做成片状，在特定的温度下，水车可以没有外部动力，自行旋转。2、物理化学性能(1) 金属材料：坚硬、反光、有光泽、热与电的良导体。金属材料：由金属元素和以金属元素为主形成的具有金属光泽特性的材料的统称。分类：黑色金属：铁和铁的为基的合金；例如：钢、铸铁等有色金属：黑色金属以外的所有金属及合金。例：铜、铝、镍等。(2) 无机非金属材料：以某些元素的氧化物、碳化

3、物、氮化物、卤素化合物以及硅酸盐、铝 酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。分类：单晶体：宝石、人工合成晶体多晶体：陶瓷、水泥非晶质体：玻璃(3) 高分子材料定义：以高分子化合物为基础制得的材料。分类：塑料： 以合成树脂或天然改性的天然高分子为主要成分加上填料、助剂， 在一 定的温度和压力下成型。橡胶：经硫化处理、弹性优良的高分子材料。 合成纤维：强度很高的单体聚合而成、呈纤维状的高分子材料。(4) 复合材料： 由两种或两种以上化学本质不同的材料组合在一起， 使之互补性能优势， 从 而制得的一类新型材料。第二节材料的发展趋势1、材料产业的发展方向(1)努力增长、改进质量；(2)改进工艺、提高效率；(3

4、)采用新技术、更新换代；(4)重视环保。2、新型材料： (1) 复合材料； (2) 功能材料； (3) 纳米材料； (4) 生物材料； (5) 新金属材料； (6) 高性能陶瓷； (7) 高分子材料； (8) 智能材料。 第二章 无机非金属材料一、无机非金属材料的定义1、无机非金属材料：以某些元素的氧化物、碳化物、氧化物、卤素化合物、硼化物以及硅 酸盐、铝酸盐等物质组成的材料，是除有机高分子材料和金属以外的所有材料的统称。其中，硅酸盐材料用量最大，主要包括硅、铝、氧三种元素。二、分类1、分类：把材料分为普通的和先进的无机非金属材料两大类。表3-12、特性对比：表 3-2三、特性 耐热性 - 高

5、熔点，隔热性； 力学性能 - 高硬度、高强度、耐磨性； 化学稳定性耐腐蚀、抗氧化性、催化； 电学性能导电性、半导体、超导材料； 光学性能透光性、雷达监控、隐形物(飞机) 。第二节 耐火材料一、定义及分类 1、定义：耐火度不低于 1580的无机非金属材料，主要用于高温窑炉等热工设备的结构材 料，以及工业用高温容器和部件的材料，并且承受相应的物理化学机械作用。耐火度：耐火材料在高温作用下达到特定软化程度的温度， 表征材料抵抗高温作用的性能。 2、分类： (1) 按矿物组成：氧化硅质、硅酸铝质、镁质、白云石质、橄榄石质；(2) 耐火度：普通、高级及特级耐火制品；(3) 按化学性质分：酸性、中性及碱性

6、耐火材料二、硅酸铝质耐火材料1、定义：以 AI2O3和 SiO2为基本化学组成的耐火材料。2、分类：半硅质耐火材料AI2O3含量在 15% 30%粘土质耐火材料AI2O3含量在 30% 46%高铝质耐火材料AI2O3含量大于 46%刚玉质耐火材料AI2O3含量大于 90%3、粘土质耐火材料(1) 定义：用天然的各种黏土作为原料，将一部分黏土预先燃烧成熟料，并与部分生黏土配 合制成 AI2O3 含量为 30%-46%的耐火制品，属于弱酸性耐火材料。(2) 分类(耐火度 ) ：特等，不低于 1750；一等，不低于 1730二等，不低于 1670；三等，不低于 1580。(3) 性能：耐火度，高温耐

7、压强度和荷重软化温度随AI2O3 增加而提高； 高温下使用，残余收缩， 0.2-0.7% ； 耐热震性好； 抗酸碱性差；(4) 用途：高炉、热风炉、退火炉、烧结炉、锅炉、浇钢系统三、硅质耐火材料1、定义：以 SiO2 为主要成分的耐火材料2、制品：硅砖，不定型硅质耐火材料及石英玻璃制品3、石英玻璃制品：以石英玻璃为原料而制得的再结合制品特点：膨胀系数小 热震稳定好，耐化学侵蚀，耐冲刷 1100以上长期使用，易析晶 析晶(失透性) ：当温度高于 1000时， SiO2 分子振动加速， 经一段较长时间的重新排列 定向便形成结晶。项目轻质硅砖体积密度 G/CM31.00.80.6常温耐压强度 Mpa

8、5.03.02.0荷重软化温度156014801430导热系数( 600)0.280.240.21SIO292.59291耐火度170016901670显气孔率505560四、镁质耐火材料1、定义：指以镁石作原料。以方镁石为主要矿物组成，方镁石含量在80%-85%以上的耐火材料。2、主要产品普通镁砖 - 烧结镁石 MgO( 91%)镁铝砖烧结镁石 +AI2O3BD 系列烧成镁砖有普通烧成镁砖和高温烧成镁砖两类，以普通烧结镁砂或高纯烧结镁 为原料，经高温或超高温烧成而制得。具有耐火度高，对铁的氧化物、 碱性炉渣及高钙熔渣 具有良好的抗侵蚀性，广泛用于冶金炉窑中，普通烧成镁砖可用于电炉永久衬。第三

9、章 金属材料 第一节 概 述 1、金属的特征(1) 具有金属光泽和颜色、良好的反射能力和不透明性；(2) 具有很高的强度和延展性；(3) 导电能力强；(4) 具有磁、热、光等物理特性；(5) 表面工艺性能优良。 2、金属材料的分类： (1) 黑色金属 :钢. 生铁. 铸铁(2) 有色金属 : 铝 . 铝合金 . 铜 第二节 有色金属材料一、铝及铝合金 1、工业纯铝(1) 特性：密度小 导电性和导热性好 塑性好 抗腐蚀能力好 铝的强度低。2、铝合金(1) 常用铝合金：铝与硅、铜、镁、锰的合金元素所组成的铝合金。(2) 分类铸造铝合金：将熔融的液体直接浇注成型，冷却后成为毛坯零件。形变铝合金：把熔

10、融铝液浇铸成铝锭，通过机械加工成型，制成零件。低合金硬铝LY1镁、铜含量低塑性好，强度低标准硬铝LYI1镁、铜含量适中塑性、强度中高合金硬铝LY12镁、铜含量高塑性差，强度高二、铜及铜合金1、分类：紫铜、黄铜、青铜。2、工艺方法：原料：铜矿石 炼法：火法炼铜3、铜合金的熔炼(1) 脱氧处理： Cu2O溶于液态纯铜中，使材料的塑性和导电性能下降，加入与 Cu2O亲和 力大的元素使同还原出来。(2) 脱氢处理： 高温时氢在同中的溶解度较大， 合金凝固时因溶解度下降已形成气孔， 通 氮气或加入氧化铜溶液降低氢浓度。第三章 高分子材料第一节 概述一、基本概念1、定义高分子材料： 由高分子化合物或以高分

11、子化合物为主、 辅以各种添加剂和填料等物质加工而 成的一种材料。高分子科学：包括高分子化学、高分子物理、高分子工程学。高分子材料科学的任务： 研究高分子材料的合成、 结构和组成与材料的性能之间的关系； 探 索加工工艺和环境因素随材料性能的影响。高分子材料的分类：塑料、合成纤维、合成橡胶。生物高分子材料 - 储氢材料：某些过渡金属、合金或金属互化物在一定的温度和压力条件下 能大量吸收或释放氢气，可作为储氢材料。用于房屋建筑、装修、装饰以及桥梁、道路工程的聚合物材料。在这类材料中，塑料用 量最大，发展也较快。橡胶除用作密封材料、防水材料外，还制成各种胶管和胶板等。胶粘 剂主要用于木材加工和混凝土施

12、工。涂料的使用范围则遍及所有装修、装饰场合。在纤维素中的部分羟根 (氢氧根 )被硝化后会得到焦木素。焦木素溶于乙醇和乙醚的混合 物，再加入樟脑等蒸发后会得到一种物质， 它受热后变软， 冷却后变硬， 这种物质被称为 “ 赛 璐璐 ”。聚甲醛、聚碳酸酯、聚氨酯泡沫塑料，顺式聚异戊二烯，顺式聚丁二烯，乙丙橡胶，聚 酰亚胺，聚苯醚，聚砜等。近年来，合成高分子化学向结构更精细、 性能更高级的方向发展。 如超高模量、超高强 度、难燃性、耐高温性，耐油性等材料，生物医学材料，半导体或超导体材料，低温柔 性材料等及具有多功能性的材料。二、高分子化合物的合成 高分子化合物的合成反应：由低分子的化合物生成高分子量

13、化合物的各种化学反应。 合成反应的类型：加聚反应、缩聚反应、离子聚合、配位聚合。配套各类检测传感器， 适合高分子、 新材料、 纳米抗菌材料开发研究。 自带电加热装置， 标配先进仪表控制系统，选配：专有技术轴功率测试仪，计算机数据采集或控制系统。三、高分子化合物的结构与性能1、高分子化合物的结构(1) 一次结构：描述高分子的基本化学单元和这些单元在分子中的的排 列情况。表明高分子的化学组成和构型。例如：链状分子；支链形：星形、梳形、无规支化；梯形高分子。(2) 二次结构：描述单个高分子链，在所处条件下的相应状态 / 高分子构像。 高分子的构像：高分子又细又长的长链结构具有能够多少旋转的键， 可以

14、卷曲、成团，形 成各种不同的构象。拉伸伸展构像；溶解无规卷卷曲构象； 结晶折叠状构象；固体蛋白质螺旋状构象。(3) 三次结构：描述许多高分子链之间的排列情况。 高分子的晶态与非晶态之分。2、高分子的分子量和分子量分布 数均分子量：某一体系的总质量m被分子数所平均。重均分子量：相对分子量按重量平均。粘均分子量：粘度法测定3、高分子化合物的性能（1） 聚集态 高分子的聚集态仅为液态和固态。 细分：液态、高弹态、玻璃态、结晶态、取向态和液晶态。液态：高分子的溶解 高分子被加热熔融状态应用：涂料、粘合剂。高弹态：非晶态高聚物在其玻璃化转变温度到粘流温度之间，所处的物理状态。 玻璃态：非晶态高聚物在低于

15、玻璃化转变温度时所处的状态。结晶态：高分子在特定的条件下，也有低分子的结晶结构。 取向态：在外力作用下，分子链会沿外力方向排列。 液晶态：高分子既具有液体可流动的性质，又显示出晶体特有的双 折射性质。高分子主要结晶形态的形状结构和形成条件名称形状和结构形成条件球晶球形或截顶的球晶。由晶片从中心往外辐射生长组成从熔体冷却或从 0.1 溶液 结晶单晶（ 又称折叠链片晶 ）厚 10 50nm的薄板状晶体， 有菱形、平行四边形、长方 形、六角形等形状。分子呈 折叠链构象，分子垂直于片 晶表面长时间结晶，从 0.01 溶液 得单层片晶，从 0.1 溶液 得多层片晶伸直链片晶厚度与分子链长度相当的片 状晶

16、体，分子呈伸直链构象高温和高压（通常需几千大气压以上）纤维状晶“纤维”中分子完全伸展， 总长度大大超过分子链平均 长度受剪切应力 （如搅拌），应力还不足以形成伸直链片晶时串晶以纤维状晶作为脊纤维，上 面附加生长许多折叠链片晶 而成受剪切应力 （如搅拌），后又 停止剪切应力时（2） 高聚物的性能 力学性能：高弹性和粘弹性。电学性能：绝缘性。光学性能： PMMA、PS。流变性能：加工、成型；挤出胀大、爬杆效应。 耐热、老化性能： 200。第二节 天然高分子材料天然高分子材料包括：木材、天然纤维、天然橡胶和树脂。1、天然橡胶：从橡胶类的树汁中提炼出来的一种天然高分子材料。主要成分：聚异戊二烯； 特点

17、：弹性优异； 用途：轮胎、橡胶带、橡胶管、绝缘材料。2、天然纤维 天然纤维来源：动物、植物、矿物。 品种：棉花、亚麻、黄麻、大麻、蚕丝、羊毛、驼毛等等。3、木材 木材的种类较多：可分为针叶树和阔叶树两大类。第三章 高分子材料 第三节 塑料 合成高分子材料：合成塑料、合成橡胶、合成纤维。塑料： 75%品种多 300 多种 按受热性能来分：热塑性塑料和热固性塑料。 一、热塑性树脂 1、定义：在加工过程中，主要只起物理变化、加热到一定温度，会变软而且具有可塑性， 冷却后变硬而成型，这种状态可以反复进行。2、聚烯烃：低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯的总称。 高密度聚乙烯 (

18、HDPE ) ：通过淤浆或气相加工法，也有少数用溶液相加工生产。所有这些加 工过程都是由乙烯单体、 a- 烯烃单体、催化剂体系和各种类型的烃类稀释剂参与的放热反应。 用氢气和一些催化剂来控制分子量。 淤浆反应器一般为搅拌釜或是一种更常用的大型环形反 应器，在其中料浆可以循环搅拌。当乙烯和共聚单体(根据需要)和催化剂一接触，就会形 成聚 乙烯颗粒。除去稀释剂后，聚乙烯颗粒或粉粒被干燥并按剂量加入添加剂，就生产出 粒料。线性低密度聚乙烯 (LLDPE)：乙烯与少量高级 - 烯烃在催化剂作用下， 经高压或低压聚合而 成的一种共聚物，密度处于 0.915 0.940 克 / 立方厘米之间。(1) 聚乙

19、烯 特性：白色蜡状、半透明、柔而韧的固体； 具有优良的耐低温性能 (最低使用温度达 -70 -100)；化学稳定性好，能耐大多数酸碱的 侵蚀；常温下不溶于一般溶剂；吸水性小，电绝缘性能优良；聚乙烯对于环境应力 ( 化学与 机械作用 ) 是很敏感的，耐热老化性差 。用途：注射、挤出、吹塑、热压等成型工艺中； 产品：薄膜、管材、板材中空容器和日用品。(2) 聚丙烯 特征：无毒、无味，密度小，强度、刚度、硬度耐热性均优于低压聚乙烯,可在 100 度左右使用。具有良好的电性能和高频绝缘性不受湿度影响，低温时变脆、不耐磨、易老化 . 适于制作一般机械零件，耐腐蚀零件和绝缘零件 。常见 的酸、碱有机溶剂对

20、它几乎不起作用，可用于食具。用途：制造纤维和带条制品、薄膜、中空容器、医用制品。3、聚氯乙烯(1) 特性：微黄色半透明状，有光泽。透明度胜于聚乙烯、聚丙烯，差于聚苯乙烯，随助剂 用量不同， 分为软、硬聚氯乙烯， 软制品柔而韧， 手感粘， 硬制品的硬度高于低密度聚乙烯， 而低于聚丙烯，在屈折处会出现白化现象。常见制品：板材、管材、鞋底、玩具、门窗、电 线外皮、文具等。(2) 性能：聚氯乙烯树脂中的氯原子使它具有良好的综合性能，也是它存在加工困难和热稳定性差改性。(1)改善塑性加入增塑剂 ( 邻苯二甲酸二辛酯 )(2)热稳定性加入热稳定剂；(3)光稳定性加入光稳定剂。4、工程塑料(1) 聚酰胺 P

21、APA具有良好的综合性能，具有很高的机械强度，软化点高，耐热，磨擦系数低，耐磨损， 自润滑性，吸震性和消音性，耐油，耐弱酸，耐碱和一般溶剂，电绝缘性好，有自熄性，无 毒，无臭，耐候性好，染色性差。缺点是吸水性大，影响尺寸稳定性和电性能，纤维增强可 降低树脂吸水率，使其能在高温、高湿下工作。尼龙与玻璃纤维亲合性十分良好。例如：尼龙 -66 ；尼龙 -610 等(2) 聚碳酸酯 PC性能：聚碳酸酯无色透明，耐热，抗冲击，在普通使用温度内都有良好的机械性能。同性 能接近聚甲基丙烯酸甲酯相比， 聚碳酸酯的耐冲击性能好，折射率高， 加工性能好。但是聚 甲基丙烯酸甲酯相对聚碳酸酯价格较低， 并可通过本体聚

22、合的方法生产大型的器件。 随着聚 碳酸酯生产规模的日益扩大， 聚碳酸酯同聚甲基丙烯酸甲酯之间的价格差异在日益缩小。 不 耐强酸，不耐强碱 , 改性可以耐酸耐碱，聚碳酸酯的耐磨性差。一些用于易磨损用途的聚碳 酸酯器件需要对表面进行特殊处理。应用：光碟，眼镜片，水瓶，防弹玻璃，护目镜、银行防子弹之玻璃、 车头灯等等、动物笼子、宠物笼子。二、热固性树脂1、聚酰亚胺(1) 性能：聚酰亚胺其主链结构含有芳环和杂环，这些都是耐热的组分，同时聚酰亚胺又是 半梯型结构的聚合物， 高温老化时环的一部分断裂后开环， 而避免主链断裂， 使主链断裂的 几率减小。 因此聚酰亚胺有一系列非常好的综合性能，特别是在 -20

23、0 至 +260高低温下具有突出的力学性能、 电绝缘性、 耐磨性、 耐辐照以及良好的化学稳定性。其电性能表现为介 电常数低、介电强度高，且耐电击穿性很高，损耗因数低，耐化学性好，在液氮中低温性能 不变。聚酰亚胺的主要性能参数如下：热稳定性：各种全芳香结构的 PI 在空气中失重 5%时的分解温度均高于 500，其玻璃化 转变温度为 23430；力学性能：未填充的聚酰亚胺塑料的抗张强度均大于100MPa，聚酰亚胺工程塑料的弹性模量一般在 34GPa； 介电性能：室温下 PI 的介电常数为 33.5 ，介电损耗为 (11.5) 10-3 ，介电强度为 100300kV/mm，体积电阻为 101510

24、17 cm，在宽广的温度和频率范围内这些介电性能仍 能保持较高的水平； 耐溶剂性：一般 PI 制品不溶于有机溶剂，对稀酸稳定； 耐辐射性： PI 膜经 5 109rad 剂量辐照后，强度仍可保持 86%； 热膨胀系数： PI 的热膨胀系数在 210-53 10-5/ 。2、环氧树脂 环氧树脂是指一个分子中含有两个或两个以上环氧基， 在适当工艺条件和固化剂存在下能够 形成三维交联网状固化物的化合物。环氧树脂是聚合物基复合材料应用最广泛的基体树脂。(1) 特性：环氧树脂具有优异的粘接性能、耐磨蚀性、力学性能、化学稳定性、电器绝缘性， 以及收缩率低、易加工成型、较好的应力传递和成本低廉等优点； 环氧

25、树脂本身具有三维立体结构，分子链间缺少滑动，CC键、 CH键键能较小，具有较高的表面能，带有一些羟基等结构特点，使得其内应力较大、性脆、高温下易降解、易受水 影响等缺点。除此之外，未改性环氧树脂固化物一般都很脆，抗剥离、抗开裂、抗冲击等能 力差，对极性材料粘接力小、毒害刺激性强等不利因素。(2) 应用：涂料、胶黏剂、轻工、建筑、机械、航天航空等各个领域。近年来其应用扩展到 半导体封装材料、纤维强化材料、层压板、铜箔、集成电路等领域。(3) 改性 环氧树脂的增韧研究已取得了显著的成果， 其增韧途径主要有三种： 在环氧基体中加入橡 胶弹性体、 热塑性树脂或液晶聚合物等分散相来增韧； 用含 “柔性链

26、” 的固化剂固化环氧， 在交联网络中引入柔性链段， 提高网链分子的柔顺性， 达到增韧的目的； 用热固性树脂连 续贯穿于环氧树脂网络中形成互穿、半互穿网络结构来增韧从而使环氧树脂韧性得到改善。 聚酰胺酸改性环氧树脂聚酰胺酸 (PAA) 是聚酰亚胺的反应中间体。与 PI 相比， PAA在低沸点溶剂中即可制得。 PAA 改性环氧树脂体系与 PI 改性体系相比较具有更加优异的剥离性能。利用 PAA改性环氧树脂 时，其自身相当于环氧树脂的固化剂，可以与环氧基团形成类酯结构，同时， PAA 本身又 具有一定的活性，可以酰胺化形成 PI 长链，使固化体系表现出高的粘结剪切强度和耐热性 能。端羧基丁腈橡胶增韧

27、环氧树脂 在众多的增韧剂中，研究最早、最多的为端羧基丁腈橡胶(CTBN)，增韧用 CTBN为低分子量带有端基的液体丁二烯 - 丙烯腈共聚物。 该共聚物加入 EP中，因两者溶解度参数相近， 在反 应前能完全溶解， 经加热则随着两种聚合物聚合和交联反应的进行产生相分离， 所以最终产 物为两相结构，分散相 (橡胶)通常呈球形颗粒分散于连续相 ( 基体树脂 )中。 由图可见，曲线 a中，在 3600 2500cm-1 处宽的谱带是 PAA形成的强氢键伸缩振动吸收， 1710cm-1 左右谱带是 PAA中的 C=O( COOH)伸缩振动吸收峰， 这说明羧酸基的存在； 在 915cm-1 左右的谱带是环氧

28、树脂中链端环氧基吸收峰， 说明胶料在预反应结束后， 环氧树脂并未反应 完全。曲线 b中，在 1720cm-1、 1370cm-1和 725cm-1出现最典型的亚胺结构特征峰，分别 对应于亚胺基团的 CO对称伸缩振动以及 C N伸缩振动和 CO弯曲振动；同时 915cm-1 处的环氧基吸收峰、 3600 2500cm-1 处宽的谱带消失，证明胶料固化后环氧树脂反应较完 全。共混物体系的形态结构是决定其性能的最基本因素之一，不管是共聚体系还是共混体 系，都具有微观两相结构。按照相的连续性，两相结构的胶粘剂可分为三种类型： (a) 单相 连续结构，即一个相是连续的而另一个相是分散的； (b) 两相连

29、续结构，即两个相都是连续 的； (c) 两相互锁或交错结构。共混物的结构形态与聚合物之间的相容性越好，界面层厚度 越大，相界面越模糊，分散相越小，两相间的粘合力也越大。从可以看出， 有少许孔洞但不是蓬松的支架结构， 无明显两相结构， 结合反应原理，由于 PAA从自身的酰亚胺化及 PAA与环氧基团的反应可能形成上面所讲的(c) 类的两相交错结构。说明挥发性物质排除得很好，结构紧凑, 这有利于强度提高；而且，由于酰亚胺化与固化反应的互穿反应形成的双连续相结构利于分散应力且能保持各相原有的性能。 因此， 这 样的胶既能保证环氧的高粘结性能，又能有 PI 的耐高温性能。从图可以看出， 固化后体系的断裂

30、面不是光滑的断面， 而是出明显的两相结构， 分 散相为橡胶粒子，形成了我们所说的“海岛结构” ，“海岛结构”一经形成，材料抗开裂性能 就会发生突变， 即材料的断裂韧性 GIC 大幅度提高， 而材料所固有的力学性能、 耐热性能损 失较小。橡胶粒子直径为大约为 0.1 1um。从图可以看出， 随着 PAA加入量的增加固化后产物的热分解温度整体上出现先增加后减 小的趋势，从图可以看出， 4 体系的热分解温度最大，可达 411，比不加 PAA时提高了近 80，峰终温度为 600时余重可达 30.45%，且 TG曲线中只有一个失重峰， 4 体系的相容 性很好，环氧树脂与 PAA的固化反应和 PAA自身的

31、酰亚胺化这两个反应可以协同作用形成了 互穿网络结构，使得胶粘剂的耐热温度提高。PAA 用量对环氧树脂耐热性的影响3、聚醚砜 PESPES为非结晶热塑性塑料，玻璃化转变温度高达230，是目前所有非结晶热塑性树脂中的最高者。其长期使用温度可达 180，短期可达 200-210 ， PES的综合性能极佳，具有优 良的尺寸稳定性、耐热水和蒸汽性、难燃、耐辐射等性能，且以高温刚性著称，在高温下的 弹性模量几乎不变， PES与玻璃纤维、碳纤维的复合材料，具有密度小、强度高、难燃、发 烟量小等特点，广泛用于飞机、宇航等领域。第三章 高分子材料第四节 橡胶和纤维一、合成橡胶1、合成橡胶的种类 聚异戊二烯橡胶、

32、聚丁二烯橡胶、丁苯橡胶； 85% 丁基橡胶、氯丁橡胶、乙丙橡胶和丁氰橡胶； 14% 氟橡胶、硅橡胶。 1%2、用途：制造轮胎、管材、垫片、密封件、滚筒。3、举例(1) 聚异戊二烯橡胶 异戊二烯(或 2- 甲基丁二烯)的聚合物。自然界只存在两种异构体，即顺 -1,4- 聚异戊二烯(天然橡胶、 三叶胶) 和反 -1,4- 聚异戊二 烯(杜仲胶、巴拉塔胶) 。工业上重要的是顺 -1,4- 聚异戊二烯，又称合成天然橡胶或异戊橡胶。 聚异戊二烯是典型的弹性体，密度0.90g cm3 。异戊橡胶的结晶性以及硫化胶的抗拉强度与顺式结构含量有关， 结晶熔融温度则与结构规整性有关 ，玻璃化转变温度与 3,4-

33、或 1,2- 结构含量有关。反式聚异戊二烯易结晶，硬度和抗拉强度高。顺-1 ，4-聚异戊二烯可用齐格勒 -纳塔催化剂和丁基锂催化剂进行聚合， 聚合物中， 顺-1,4- 聚异戊二烯含量分别可达 97和 93。中国还发展了稀土催化体系。顺 -1 ，4- 聚异戊二烯 用途：主要用于制造轮胎，以及靴鞋、电线、机械、医疗 、体育器材、乳胶制品等。聚异 戊二烯还可以用来制作口香糖。(2) 聚丁二烯橡胶以 1,3- 丁二烯为单体聚合而得到的一种通用合成橡胶， 1956 年美国首先合成高顺式丁 二烯橡胶，我国于 1967 年实现顺丁橡胶的工业化生产。在合成橡胶中，聚丁二烯橡胶的产 量和消耗量仅次于丁苯橡胶，居

34、第二位。按聚合方法不同， 聚丁二烯橡胶可分为溶聚丁二烯橡胶、 乳聚丁二烯橡胶和本体聚合丁二 烯橡胶三种。按分子结构可分为顺式聚丁二烯和反式聚丁二烯。聚丁二烯橡胶中最重要的品种是溶聚高顺式丁二烯橡胶。 其性能特点是： 弹性高， 是当前 弹性最高的一种； 耐低温性能好， 其玻璃化温度为 -105 ，是通用橡胶中耐低温性能最好的 一种；其耐磨性能优异；滞后损失小，生热性能低；耐屈挠性好；与其它橡胶的相容性好。 由于其优异的高弹性、 耐寒性和耐磨损性能， 主要用于制造轮胎， 也可用于制造胶鞋、 胶带、 胶辊等耐磨性制品。缺点： 抗张强度和抗撕裂强度均低于天然橡胶和丁苯橡胶；用于轮胎对抗湿滑性能不良；

35、工艺加工性能和黏着性能较差，不易包辊。(3) 丁苯橡胶1,3- 丁二烯和苯乙烯经共聚制得的弹性体。丁苯橡胶是合成橡胶的一种。 丁苯橡胶是产量最大的通用合成橡胶，有乳聚丁苯橡胶 、溶聚丁苯橡胶。丁苯生胶是浅黄 褐色弹性固体， 密度随苯乙烯含量的增加而变大， 耐油性差， 但介电性能较好；生胶抗拉强 度较差，加入炭黑补强后，抗拉强度可提高 10 倍以上；其黏合性弹性和形变发热量均不 如天然橡胶， 但耐磨性耐自然老化性耐水性气密性等却优于天然橡胶， 因此是一种综 合性能较好的橡胶。 丁苯橡胶是橡胶工业的骨干产品， 它是合成橡胶第一大品种， 综合性能 良好，价格低，在多数场合可代替天然橡胶使用， 主要用

36、于轮胎工业，汽车部件、胶管、胶带、胶鞋、电线电缆以及其它橡胶制品。(4) 氯丁橡胶( CR)又称氯丁二烯橡胶， 是氯丁二烯 (即 2- 氯-1,3- 丁二烯) 为主要原料进行聚合生成的弹性体。 由杜邦公司的华莱士 卡罗瑟斯于 1930年 4月 17日首先制得， 杜邦于 1931年 11月公开宣 布已经发明氯丁橡胶，并于 1937 年正式推向市场，使氯丁橡胶成为第一个实行工业化生产 的合成橡胶品种。性能：外观为乳白色、米黄色或浅棕色的片状或块状物，密度1.23 1.25g/cm3 ，玻璃化温度- 40 50 ，碎化点 - 35 ，软化点约 80 ， 230260下分解。溶于氯仿、苯 等有机溶剂，

37、在植物油和矿物油中溶胀而不溶解。有良好的物理机械性能，耐油，耐热，耐燃，耐日光，耐臭氧，耐酸碱，耐化学试剂。缺点 是耐寒性和贮存稳定性较差。应用：传动带、运输带、电线电缆、耐油胶板、耐油胶管、电缆护套、耐油胶管、橡胶密封 件、粘合剂等。(5) 丁腈橡胶由丁二烯和丙烯腈经乳液聚合法制得的， 丁腈橡胶主要采用低温乳液聚合法生产， 耐油性极 好，耐磨性较高， 耐热性较好， 粘接力强。 其缺点是耐低温性差、 耐臭氧性差， 电性能低劣， 弹性稍低。用途：丁腈橡胶主要用于制作耐油制品，如耐油管、胶带、橡胶隔膜和大型油囊等，常用于 制作各类耐油模压制品，如油封、皮碗、膜片、活门、波纹管等，也用于制作胶板和耐

38、磨零 件。(6) 硅橡胶硅橡胶具有优异的耐热性、 耐寒性、 介电性、耐臭氧和耐大气老化等性能，硅橡胶突出 的性能是使用温度宽广，能在 -60 (或更低的温度)至 +250(或更高的温度)下长期使 用。但硅橡胶的抗张强度和抗撕裂强度等机械性能较差， 在常温下其物理机械性能不及大多 数合成橡胶，且除腈硅、氟硅橡胶外，一般的硅橡胶耐油、耐溶剂性能欠佳，故硅橡胶不宜 用于普通条件的场合，但非常适用于许多特定的场合。硅橡胶是医用高分子材料中特别重要的一类，它具有优异的生理惰性，无毒、无味、 无腐 蚀、抗凝血、与机体的相容性好，能经受苛刻的消毒条件。根据需要可加工成管材、片材、 薄膜及异形构件，可用做医疗

39、器械、人工脏器等。现今国内外都有专门的医用级硅橡胶。 品种：二甲基硅橡胶、甲基乙烯基硅橡胶、甲基苯基乙烯基硅橡胶、氟硅、腈硅橡胶、苯撑 和苯醚撑硅橡胶。二、合成纤维1、分类(1) 天然纤维 自然界存在的，可以直接取得纤维，根据其来源分成植物纤维和动物纤维两类。1)植物纤维 植物纤维是由植物的种籽、果实、茎、叶等处得到的纤维，是天然纤维素纤维。从植物韧皮 得到的纤维如亚麻、黄麻、罗布麻等；从植物叶上得到的纤维如剑麻、蕉麻等。植物纤维的 主要化学成分是纤维素，故也称纤维素纤维。2) 动物纤维 动物纤维是由动物的毛或昆虫的腺分泌物中得到的纤维。从动物毛发得到的纤维有羊毛、 兔毛、骆驼毛、山羊毛、牦牛

40、绒等；从动物腺分泌物得到的纤维有蚕丝等。动物纤维的主要 化学成分是蛋白质，故也称蛋白质纤维。(2) 、化学纤维 化学纤维是经过化学处理加工而制成的纤维。可分为人造纤维和合成纤维两类。1)人造纤维人造纤维是用含有天然纤维或蛋白纤维的物质，如木材、 甘蔗、芦苇、大豆蛋白质纤维等及 其他失去纺织加工价值的纤维原料， 经过化学加工后制成的纺织纤维。 人造纤维也称再生纤 维。主要的用于纺织的人造纤维有：黏胶纤维、醋酸纤维。2)合成纤维合成纤维的化学组成和天然纤维完全不同， 是从一些本身并不含有纤维素或蛋白质的物质如 石油、煤、天然气、石灰石或农副产品，先合成单位，再用化学合成与机械加工的方法制成 纤维。

41、如聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙燃腈纤维、聚丙燃纤维、聚氯乙烯纤 维、涤纶、锦纶、腈纶、丙纶、氯纶等。2、应用(1) 纤维在纺织业海藻碳纤维做成衣服后， 穿着时能长期使人体分子摩擦产生热反应， 促进身体血液循环， 因 此能蓄热保温，而防紫外线辐射的纤维制成衣服便可减少我们夏日撑伞的麻烦。(2) 纤维在军事 纤维更大的作用早已不仅停留在日常穿着了，粘胶基碳纤维帮导弹穿上“防热衣”，可以耐几万度的高温； 无机陶瓷纤维耐氧化性好，且化学稳定性高， 还有耐腐蚀性和电绝缘性，航 空航天、军工领域都用得着；聚酰亚胺纤维可以做高温防火保护服、赛车防燃服、装甲部队的防护服和飞行服；碳纳米管可用作电磁

42、波吸收材料，用于制作隐形材料、电磁屏蔽材料、 电磁波辐射污染防护材料和“暗室” (吸波)材料。(3) 纤维在医药 甲壳素纤维做成医用纺织品，具有抑菌除臭、消炎止痒、保湿防燥、护理肌肤等功能，因此 可以制成各种止血棉、绷带和纱布， 废弃后还会自然降解，不污染环境；聚丙烯酰胺类水凝 胶可能控制药物释放； 聚乳酸或者脱乙酰甲壳素纤维制成的外科缝合线， 在伤口愈合后自动 降解并吸收，病人就不用再动手术拆线了。(4) 纤维在建筑领域 防渗防裂纤维可以增强混凝土的强度和防渗性能， 纤维技术与混凝土技术相结合， 可研制出 能改善混凝土性能， 提高土建工程质量的钢纤维以及合成纤维，前者对于大坝、机场、 高速

43、公路等工程可起到防裂、 抗渗、 抗冲击和抗折性能，后者可以起到预防混凝土早期开裂，在 混凝土材料制造初期起到表面保护。(5) 纤维在生物科技类似肌肉的纤维可制成“人工肌肉” 、“人体器官” 。聚丙烯酰胺具有生物相容性，一直是人 体组织良好的替代材料， 聚丙烯酰胺水凝胶能够有规律地收缩和溶胀， 这些特性正可以模拟 人体肌肉的运动。胶原是人体中最多的蛋白质，人体心脏、眼球、血管、皮肤、软骨及骨路中都有它的存在， 并为这些人体组织提供强度支撑。 合成纳米纤维能在骨折处形成一种类似胶质的凝胶， 引导 骨骼矿质在胶原纤维周围生成一个类似于天然骨骼的结构排列，修补骨骼于无形之中。 蜘蛛丝一直是人类想要模仿

44、制造的， 天然蜘蛛丝的直径为微米左右， 而它的牵引强度相当 于钢的倍， 还具有卓越的防水和伸缩功能。 如果制造出一种具有天然蜘蛛丝特点的人造蜘 蛛丝， 将会具有广泛的用途。 它不仅可以成为降落伞和汽车安全带的理想材料， 而且可以用 作易于被人体吸收的外科手术缝合线。发展趋势：高性能化、复合化、高功能化、精细化和智能化。第五章 复合材料一、定义复合材料： 由两种或两种以上物理和化学性质不同的材料通过复合工艺组成的新材料。 其中 以一种材料为基体， 另一种材料为增强体组合而成的材料。 各种材料在性能上互相取长补短， 产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。二、分类1、

45、按基体材料分(1) 金属基复合材料(2) 有机材料基复合材料 : 木质基、聚合物基(橡胶基、树脂基(热塑性、热固性) )(3) 无机非金属基复合材料：水泥基、陶瓷基、碳基2、按增强材料分类(1) 颗粒状分散相复合材料(2) 薄片状分散相复合材料(3) 纤维状分散相复合材料(连续纤维增强复合材料、不连续纤维增强复合材料)3、按增强纤维类型分类 玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、有机纤维、陶瓷纤维、混杂纤维。4、按材料的作用分类 结构复合材料：制造工程结构可承载的复合材料； 功能复合材料：具有各种独特性能的复合材料。三、复合材料的组成1、结构：由连续相 (基体)和分散相 (增强体)所组成。 复合材料组分常

46、用的构形：纤维状、颗粒状、薄板状或片状、粉末状。 基相通过界面将增强相连接成为整体， 同时他还通过参与、 协同加强作用， 与增强相一道提 供复合材料所需的性能。基相材料：复合材料的主体，具有封闭复合材料和赋予复合材料主体形状的作用。增强相材料： 决定复合材料内部构造， 具有增强复合材料的强度和弹性模量、 降低收缩变形、 提高热变形温度的作用，并赋予声、光、热、磁、等方面的性能。2、界面和界面相 界面：基相与增强相之间的边界。在复合材料的结构中， 界面的形成可以是由于物理粘聚作用， 也可以是化学反应或者两者兼 有的结果。界面相：在某种特定情况下，在相互接触的区域形成与组分材料性质不同的相。 第二

47、节 金属基复合材料金属基复合材料最有前途的应用之一是做燃气涡轮发动机的叶片。 这类零件在高温和接近现有合金所能承受的最高应力下工作，因此成了复合材料研究的一个主攻方向。一、分类1、按基体分类：(1) 铝基复合材料；(2)(3)2、按增强体分类：镍基复合材料；钛基复合材料(1) 颗粒增强复合材料；(2)(3)层状复合材料； 纤维增强复合材料、金属基复合材料中增强体的性质(1) 高强度 (2) 高模量 (3) 化学稳定性好 (4) 纤维的尺寸和形状 (5) 性能再现性与一致 性 (6) 抗损伤或抗磨损性能 (7) 容易制造，价格低廉三、几种典型金属基复合材料1、铝基复合材料(1) 选材：铝合金(2

48、) 特点：强度、刚度和低密度及铝合金基体易加工 导电性、导热性、塑性、韧性好2、镍基复合材料(1)镍基变形高温合金镍基变形高温合金以汉语拼音字母“ GH” 加序号表示，如 GH36、 GH49、GH141等。它可采 用常规的锻、轧和挤压等冷、热变形手段加工成材。按强化方式可分为： 固溶强化镍基变形高温合金：固溶强化镍基变形高温合金中加入较多的钨、 钼、钴等元 素。弱时效强化镍基变形高温合金： 弱时效强化镍基变形高温合金可添加一定量的铝、 钛、铌等 时效强化元素。强时效强化镍基变形高温合金：强时效强化镍基变形高温合金中则可以加入多量的铝、钛、 铌元素，但其总量不能超过 7.5%。也加入硼、铈、镁

49、等晶界强化元素。用途：镍基变形高温合金广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机的热端部件， 如工作叶片，导向叶片、涡轮盘和燃烧室等。(2)镍基铸造高温合金以镍为主要成分的铸造高温合金，以“K”加序号表示，如 K1、 K2 等。随着使用温度和强度的提高， 高温合金的合金化程度越来越高， 热加工成形越来越困难， 必须采用铸造 工艺进行生产。另外， 采用冷却技术的空心叶片的内部复杂型腔， 只能采用精密铸造工艺才能生产。 这 样，镍基变形高温合金就转化为镍基铸造高温合金。应用：镍基铸造高温合金用于飞机、 船舶、工业和车辆用燃气轮机的最关键的高温部件， 如涡轮机叶片、导向叶片和整体涡轮等3、钛基复

50、合材料 (比强度：材料的断裂强度 / 密度) 采用树脂基复合材料和钛基复合材料制造起落架， 与 300M钢比较可获得明显减重， “空心 的树脂基复合材料结构大约 1.5 厘米厚，较之标准的 26 千克的 300M钢约轻 5 千克。高温钛合金主要用于制造航空发动机压气机叶片、 盘和机匣等零件， 这些零件要求材料 在高温工作条件下 (300600 ) 具有较高的比强度、高温蠕变抗力、疲劳强度、持久强度和 组织稳定性。 随着航空发动机推重比的提高， 高压压气机出口温度升高导致高温钛合金叶片 和盘的工作温度不断升高。经过几十年的发展，固溶强化型的高温钛合金最高工作温度由 350提高到了 600。第三节

51、 聚合物基复合材料一、分类1、按增强材料分类(1) 颗粒状分散相复合材料(2) 薄片状分散相复合材料(3) 纤维状分散相复合材料(连续纤维增强复合材料、不连续纤维增强复合材料)2、按基体材料分(1) 金属基复合材料(2) 有机材料基复合材料：木质基、聚合物基（3）无机非金属基复合材料（水泥基、陶瓷基、碳基）一、概述1、定义：聚合物基复合材料（ PMC）是以有机聚合物为基体，连续纤维为增强材料组合而成 的。2、特点：聚合物基体材料虽然强度低，但由于其粘接性能好，能把纤维牢固地粘接起来， 同时还能使载荷均匀分布， 并传递到纤维上去， 并允许纤维承受压缩和剪切载荷。 而纤维的 高强度、 高模量的特性

52、使它成为理想的承载体。 纤维和基体之间的良好的结合充分展示各自 的优点，并能实现最佳结构设计、具有许多优良特性。3、分类: （ 1）以基体性质不同热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料；（2） 按增强剂类型及在复合材料中分布状态分类。 如：玻璃纤维增强热固性塑料 （ 俗称玻璃钢 ） 、短切玻 璃纤维增强热塑性塑料、 碳纤维增强塑料、 芳香族聚酰胺纤维增强塑料、 碳化硅纤维增强塑 料、矿物纤维增强塑料、石墨纤维增强塑料、木质纤维增强塑料等。二、聚合物基体在复合材料成型过程中， 基体经过复杂的因而基体性能直接影响复合聚合物基体是纤维增强塑料的一个必需组分，在纤维间传递载荷， 并使载荷 （ 耐热

53、性 ） 、横向性能、剪切性物理、 化学变化过程， 与增强纤维复合成具有一定形状的整体。 材料性能。基体的主要作用： 包括将纤维粘合成整体并使纤维位置固定， 均匀； 决定复合材料的一些性能。如复合材料的高温使用性能 能、耐介质性能 （ 如耐水、耐化学品性能 ） 等；决定复合材料成型工艺方法及工艺参数选择； 保护纤维免受各种损伤。 此外对复合材料一些性能有重要影响， 如纵向位伸、 尤其是压缩性 能，疲劳性能，断裂韧性等。热塑性基体如聚1、分类 用于复合材料的聚合物基体主要按树脂热行为可分为热固性及热塑性两类。丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚砚、聚醚醚酮等，它们是一类线形或有支链的固态高分子， 可溶可熔

54、， 可反复加工成型而无任何化学变化。热固性基体如环氧树脂、酚醛树脂、双马树 脂、不饱和聚酯等， 它们在制成最终产品前， 通常为分于量较小的液态或固态预聚体， 经加 热或加固化剂发生化学反应固化后，形成不溶不熔的三维网状高分子。2、热塑性基体原则上所有的热塑性树脂， 如聚烯烃、 聚醚、 聚酰胺、 聚酯、聚砜等都可作为复合材料基体。 普通的热塑性基体包括通用塑料，如聚丙烯（PP） 、ABS树脂和工程塑料等。它们通常用20 40的短纤维增强，拉伸强度和弹性模量可提高12 倍，可明显改善蠕变性能，提高热变形温度和导热系数，降低线膨胀系数，增加尺寸稳定性，降低吸湿率，抑制应力开裂、 提高疲劳性能。 这些

55、短纤维增强的热塑性塑料作为工程材料广泛用于机械零部件、 汽车、 化 工设备等。耐高温的特种工程塑料作为先进复合材料基体，通常以连续纤维增强。聚醚醚酮（ PEEK）是一种半结晶性热塑性树脂，其玻璃化转变温度为143 ，熔点为334 ，结晶度一般在 20 40，最大结晶度为 48。PEEK具有优异的力学性能和耐热性， 其在空气中的热分解温度达 650，加工温度在 370420，以 PEEK为基体的复合材料可 在 250 的高温下长期使用。在室温下， PEEK的模量与环氧树脂相当， 强度优于环氧， 而断 裂韧性极高 （ 比韧性环氧树脂还高一个数量级以上） 。PEEK耐化学腐蚀性可与环氧树脂媲美。PE

56、EK耐绝大多数有机溶剂和酸碱，除液体氢氟酸、浓硫酸等个别强质子酸外，PEEK不为任何溶剂所溶解。此外， PEEK 还具有优秀的阻燃性、极低的发烟串和有毒气体释放率，以及 极好的耐辐射性。聚醚砜 （PES） 是一种非晶聚合物， 其玻璃化转变温度高达 225，可在 180温度下长期使用。但是，由于 PES的耐溶剂性差，限制了它在飞机结构等领域的应用，但 PES基复合材料的在电子产品、 雷达天线罩、 靶机蒙皮等方面得到大量应用， 它也可用于宇宙飞船的关键 部件。3、热固性基体热固性基体 （不饱和聚酯树脂、 环氧树脂、 酚醛树脂等 ）在连续纤维增强树脂基复合材料 中一直占统治地位。 不饱和聚酯树脂、 酚醛树脂主要用于玻璃增强塑料， 其中聚酯树脂用量 最大，约占总量的 80，而环氧树脂则一