材料结构与性能

1、聚合物结构与性能Structure and properties of materialsPart 1 Introduction to materialsPart 2 Structure and properties of polymersStructure and properties of polymersChapter 1. PrefaceChapter 2. Molecular Structure of Polymers Chapter 3. Structure and morphology of crystalline polymers Chapter 4. The paramete

2、rs of superstructure of crystalline polymersChapter 5. Thermal transition of polymersChapter 6. Mechanical properties of polymers*Chapter 7. Polymer blendsChapter 8. Computer simulation in polymer science*Chapter 9. Characterization of polymers材料的分类：若按用途分类 : (1) 结构材料 (2)功能材料结构材料主要是利用材料的力学和理、化性质，广泛应用

3、于机械制造、工程建设、交通运输和能源等各个工业部门。功能材料则利用材料的热、光、电、磁等性能，用于电子、激光、通讯、能源和生物工程等许多高新技术领域。功能材料的最新发展是智能材料，它具有环境判断功能、自我修复功能和时间轴功能，人们称智能材料是21世纪的材料。材料的分类：若按材料的成分和特性分类: (1) 金属材料; (2) 陶瓷材料; (3) 高分子材料; (4) 复合材料 金属材料又分为黑色金属材料和有色金属材料。黑色金属材料通常包括铁、锰、铬以及它们的合金，是应用最广的金属结构材料。除黑色金属以外的其他各种金属及其合金都称为有色金属。 陶瓷材料是人类应用最早的材料。传统的陶瓷材料是以硅和铝

4、的氧化物为主的硅酸盐材料，新近发展起来的特种陶瓷或称精细陶瓷，成分扩展到纯的氧化物、碳化物、氮化物和硅化物等，因此可称为无机非金属材料。材料的分类：高分子材料是一类合成材料，主要有塑料、合成纤维和合成橡胶，此外还有涂料和胶粘剂等。这类材料有优异的性能，如较高的强度、优良的塑性、耐腐蚀、不导电等，发展速度较快，已部分地取代了金属材料。合成具有特殊性能的功能高分子材料是高分子材料的发展方向。复合材料是由金属材料、陶瓷材料和高分子材料复合组成的。复合材料的强度、刚度和耐腐蚀等性能比单一材料更为优越，是一类具有广阔发展前景的新型材料。材料的分类: 也可把材料分为传统材料和新型材料: 传统材料是指生产工

5、艺已经成熟，并已投入工业生产的材料。新型材料是指新发展或正在发展的具有特殊功能的材料，如高温超导材料、工程陶瓷、功能高分子材料等。材料的分类材料非金属材料金材料非铁类铁类无机类有机类玻璃陶瓷木材橡胶铝镁熟铁铸铁钢铜树脂皮革黏土石墨铅Structure and properties of polymersPreface Research contents1. 研究内容研究内容 高分子材料的分类的三大类：1.橡胶-交联高聚物；2.塑料-可以是交联高聚物，也可以是线性高聚物。3.纤维-一般为线性高聚物。从分子量来看，橡胶的分子量最高；塑料的分子量变化最大；纤维的分子量要求最严。 Structure

6、and properties of polymersPreface Research contentsetc.DyeingSorptionMoistureElectricalOpticalMechanicalPhysicalPropertiesTextural)cal,Morphologiolecular,Str(SupermnalAggregatioStr.ChemicalStructure,ChainStructure,MolecularStructurePolymers 高聚物的较热门的研究内容是外场的作用或加工成形条件下，高聚物结构与性能的关系。一般外场(outfield)是指温度(t

7、emperature)、压力(pressure)、拉伸(drawing)、辐射(radiation)、相对湿度(relative humidity)。研究外场诱导作用下，不同始态下的结晶结构(unit structure)，形态结构(morphological)，片晶(lamellae)，球晶(spherulites)生长过程，以及链结构的变化与晶型(crystal modification)转变的关联。揭示外场诱导对高聚物结构和性能的影响及控制因素，为改进和提高聚物的性能，制备高性能或特定的高分子材料提供可靠的科学依据。 Structure and properties of polymer

8、sPreface Research contents例如：一般纤维的服用温度温度应在Tg(glass transition temperature)以下(弹性纤维例外)，使用温度高，强度低。 湿度湿度(humidity, moisture)对材料性能也有影响，如PAN 干强度高，湿强度低。近年来，研究辐射辐射(radiation)、等离子体等离子体(plasma)刻蚀对材料性能影响的文献也日益增多。 Structure and properties of polymersPreface Research contentsStructure and properties of polymersP

9、reface Aim and significance2. 目的与意义目的与意义(1) 揭示结构与性能之间的关系 例如：分子链结构 - 柔性、刚性 结晶度、取向度 - 共同决定材料的强度。(2) 从控制结构着手，达到控制性能的目的 例如：制备PET Poly(ethylene terephthalate)Structure and properties of polymersPreface Aim and significanceq 形成链结构 forming the molecular chain Synthesis materials: Dimethyl terephthalate (DM

10、T)Ethylene glycol (EG)ChipsPETEGDMTcutquenchingexchangeesterCPT,.T=temperature; P=pressure; C=catalyst Structure and properties of polymersPreface Aim and significanceq 形成聚集态结构 (Processing) FilamentfibersspunAsChipstwisttTsettingHeatRVTDrawingspinningMelt.),.(.).(R=ratio; V=velocity; t=time.初生丝强度很低没

11、有使用价值，经拉伸和热处理后，纤维产生结晶、分子链发生取向，使纤维的强度有了大幅度的提高。 Structure and properties of polymersPreface Aim and significance可以认为，纤维的性能全部由其结构所决定：q 化学结构(chemical composition，chain structure)q 凝聚态结构(Aggregational) (Morphology, Supermolecular Structure: Degree of crystallinity, Degree of orientation, crystallites)高聚物

12、的化学结构是决定高聚物基本性质的主要因素(Tg, Tm)，而聚集态结构是决定高聚物本体性质的主要因素(力学性能)。链结构只是间接地影响高聚物材料的性能，而聚集态结构是直接影响其性能的因素。Structure and properties of polymersPreface Technology and physics3. 高分子的工艺学与物理学的关系 )(,2121.Pr), 2, 1(Pr),(),(sinPrtechnicsCPphysicsSPmCSlparametersoppnppopertiesparametersStructuresssStructureparametersTec

13、hnicalcccconditionsgocesq 加工条件与结构的关系(CS)和结构与性能的关系(SP)问题称为基本问题。 q 一般CS、CP问题为工艺学研究内容，SP问题为物理学研究内容。本门课程也可称为高分子物理(学)。举例说明CS、CP、SP三者之间的关系。 Structure and properties of polymersPreface Technology and physics(1) CS问题： de Vries(1959)发现，拉伸比R与双折射n之间存在如下的经验关系 nBARdndln其中，A和B为常数；R为拉伸比R(Draw Ratio, 工艺参数)；n为双折射(bi

14、refringence, double refraction, 结构参数)，与分子链段(segments)的取向有关。 Structure and properties of polymersPreface Technology and physics(2) SP问题： de Vries(1955)发现，模量与与双折射之间存在如下关系 CnBAEdnd/ )/1 (式中，模量(Modulus)E为性能参数。C为常数。CS和SP这两个基本问题解决之后，我们就能推出工艺参数与性能参数的重要关系了。 Structure and properties of polymersPreface Techno

15、logy and physics(3) CP问题： 把(1)式代入(2)式得 CRdndEdnd/ln)/1 (整理并积分上式得： EERRdCEd/1/1ln00ln)/1 (Structure and properties of polymersPreface Technology and physics注：R=1时，lnR=0。所以， RCEEln110式中，E。为各向同性(未拉伸R=1)纤维的模量。q高分子物理学(高聚物的结构与性能)是高聚物工艺学的基础课程，对高分子材料的加工成型有重要的指导意义。 Structure and properties of polymersPreface

16、 Parameters describing structure and properties of polymersq 一般材料出厂，需要有结构和性能指标。例如美国Du Pont Co. q Degree of orientation: birefringence; sonic velocity; natural draw ratio qCrystallinity: X-ray diffraction; density qPhysical properties: tensile strength(g/d); denier(d); elongation (%); initial modulus(g/d); thermal shrinkage:boiling water