材料科学与技术第15课

二、聚合物的成型第三节聚合物材料一、聚合物的分子结构与分子聚集态结构（一）成型工艺（二）聚合物的添加剂添加剂赋予聚合物特殊的性能①颜料产生颜色，要求耐温（压）、与聚合物相容、化学稳定②稳定剂使聚合物不致因环境因素的影响而性能下降抗氧化剂、热稳定剂、抗紫外线照射剂及其盐类可阻燃③抗静电剂聚合物导电性差、表面易积累电荷抗静电剂吸附空气中水分子到聚合物表面、提高表面电导、减小火花放电④阻燃剂有机聚合物具有可燃性，⑤润滑剂腊或硬脂酸钙可降低聚合物熔体的黏度、改性成型特性⑥增塑剂小分子或小分子链，降低聚合物的玻璃相变温度、改进聚合物的性能和成型特性不同目的的填充剂：黏土等节省聚合物材料；橡胶中的炭⑦填充剂⑧发泡剂目的：形成中空的多孔材料聚合物含有发泡剂的固体小珠加热、发泡剂分解成气体膨胀塑料密度低、优质绝缘材料⑨增强剂加入玻璃、石墨或其它聚合物的纤维，提高聚合物强度和刚性⑩偶连剂聚合物与无机材料填充材料间的结合力黑提高轮胎的强度和耐磨性；短纤维提高橡胶力学性能三、聚合物材料的力学状态柔性高分子的热运动特点：（一）概述高分子链一般都具有柔性分子的一部分可相对其它部分作相对独立的运动链段长度取决高分子链的柔性：链段愈短、柔性越好链段：高分子链中能够相对独立运动的最小单元链段长度：几个～几十个结构单元柔性高分子的热运动：链段运动、高分子链的整体运动（重心迁移）微布朗运动布郎运动（二）线形高分子非晶态聚合物的力学状态温度形变（1）（2）（3）（4）（5）五个区间：在恒定应力作用下、等速率升温形变—温度曲线区域（1）刚性玻璃态：形变小、弹性模量大区域（3）高弹性态：柔软、而有弹性，弹性模量小、形变可达原长的5～10倍区域（5）粘性态：聚合物可象粘性流体一样流动流动温度（切线法确定）温度形变（1）（2）（3）（4）（5）区域（2）玻璃态和高弹性态的转变区—玻璃化转变区玻璃态高弹性态粘流态玻璃相变温度（切线法确定）区域（4）高弹性态和粘流态的转变区转变温度转变温度线性非晶态高聚物、不同温度下的三种力学状态：（1）T＜Ｔg时、玻璃态：分子热运动能量低，不足以引起主链上单键的旋转，链段和整个分子被“冻结”普通形变（3）粘流态分子热运动能量高、分子间发生整体相对迁移、产生不可回复的塑性形变常温下使用的塑料制品最好处于玻璃态使用温度：流动形变（2）Tg<T＜Tf

时、高弹性态：热运动足以克服主链上单键的旋转势垒、链锻可运动，但不足以克服分子间的内摩擦力、分子重心不动，拉伸力使卷曲的高分子链沿外力方向伸展、呈现大形变、高弹性高弹性形变聚合物聚合物聚乙烯（高密度）聚氯乙烯（间同）聚四氟乙烯聚丙烯（全同）聚酯(PET)聚碳酸酯聚乙烯（低密度）尼龙66聚苯乙烯（全同）-100-7887126-141151372123271761005773150230265265265聚合物的和常温下使用的橡胶高弹态使用温度：粘流态对聚合物成型至关重要成型温度：热解聚温度（三）聚合物的高弹性提高高弹性材料的抗蠕变能力及在宽温区内具有高弹性线形非晶态聚合物具有高弹性实际高弹性材料的线形高分子间存在轻微的交联高弹性聚合物的基本特点：1、弹性应变大、弹性模量低；2、弹性模量可能不随温度变化、也可能随温度的增加而增加（已指出）温度增加分子链段的热运动加剧、高分子卷曲构象的倾向增大相同外力下的形变减小3、滞弹性：高弹态高分子聚合物形变对外力的响应有滞后理想弹性体：应力作用、立即产生应变；应力消除、应变立即消除高分子链从一种构象到另一种构象需要时间实际弹性体：链段发生相对位移、需克服一定的内摩擦力所有材料都有一定的响应滞后、高弹性材料响应滞后显著恒定应力T作用下应变随时间的变化：t时刻的应变平衡应变—最终应变时间常数—延迟时间（四）聚合物的粘弹性非晶或多晶材料在较小的应力作用同时表现出弹性和粘性理想弹性体：应变与应力成正比服从牛顿粘性定律：应力正比于应变的变化率理想粘性体：理想粘性液体模型应力应变速率粘度高分子材料的力学行为介于弹性材料和粘性材料之间应力同时依赖于应变和应变速率高分子材料具有粘弹性材料的粘弹性模型：可用作为弹性元件的弹簧及作为粘性元件并联组合Maxwell模型Voigt-Kelvin模型串联组合（五）聚合物的蠕变物体在恒定应力作用下形变随时间逐渐增大的现象时间形变AB线形高聚物交联高聚物的充满粘性液体的活塞的适当组合表征3、分子整体迁移引起的粘性流动形变线形高聚物的蠕变是下面三种形变的线性叠加：1、键长、键角变化引起的普弹形变；2、链段运动引起的高弹形变；时间形变AB线形高聚物交联高聚物第四节复合材料非同寻常的刚度、强度，耐热、耐腐蚀性、传导性或特殊功能等一、概述1、定义由两种或两种以上的材料结合而成、其中一种为基体具有单一材料所没有的综合性能：2、分类按基体：无机和有机复合材料按使用目的：结构和功能复合材料按组分：金属—金属、金属—陶瓷、金属—聚合物、陶瓷—陶瓷、陶瓷—聚合物、聚合物—聚合物按参入基体中的物质形状：表现各向异性特征按参入基体中的物质形状：颗粒状复合材料（如混凝土）若颗粒分布均匀、复合材料各同向性纤维状复合材料（如玻璃钢：玻璃纤维+

聚合物）性能上可能是各同向性、也可能是各同异性层状复合材料（胶木板）ABC二、颗粒状复合材料颗粒均匀地弥散在具有延展性的基体中、结构上类似于双相弥散强化合金1、小颗粒弥散强化复合材料强度比两相合金低，但不存在合金的过时效、过回火、晶粒长大或弥散相粗化等问题，抗蠕变性能优于合金特征：颗粒非常小（直径：Å

）特性：小颗粒能有效阻碍位错运动、产生显著的强化作用弥散颗粒的选择：①刚性、稳定（如氧化物）、能有效阻止滑移②应有最佳尺寸、形状、分布、和数量③在基体中溶解度低、不应与基体发生显著的化学反应④与基体有很好的结合力（与基质的一定反应性有利于产生牢固结合）2、大颗粒状复合材料颗粒大、不能有效地阻碍滑移主要目的：不是为了提高强度、而是获得其它综合性能3、颗粒状复合材料的应用有许多应用、生活中常见的有：（1）机械加工机加工车床上的钻头和刀具：坚硬的陶瓷微粒弥散地分布于金属基体中的硬合金如、钴基碳化钨复合材料碳化钨颗粒质地坚硬、刚性大、耐高温制作方法凝固成锋利、抗冲击的钴基碳化钨切削工具混合WC微粒与Co粉压成坯体加热、钴熔化液态钴包围WC微粒磨削用的砂轮和切割用的砂轮盘：基体:

玻璃或聚合物陶瓷颗粒：金刚石（坚硬、锋利）（2）电接触材料应具有：耐磨、良好的导电性、抗氧化、抗烧蚀的综合性能（开关、继电器等）钨增强银具有较好综合性能制作方法制作方法：银有效地传导电流、钨赋予材料的耐磨性粉末冶金法、制备内部连通性好的钨多孔坯料真空渗透法、使液态银填充钨坯料的孔洞钨和银都是连续的复合材料（3）聚合物颗粒状复合材料碳黑硫化橡胶：汽车轮胎、鞋底炭黑提高橡胶的强度、刚度、耐磨及耐热性Å提高SAN共聚物的抗冲击性和成型性能复合聚合物ABS：基体：苯乙烯、丙烯腈增强颗粒：聚丁二烯粉末冶金法:

金属粉末和增强颗粒混合，经过去气、热压固结，然后轧制、挤压或锻造成所需形状的复合材料的工艺的共聚物(SAN)聚乙烯（PE）+铅粉末：聚合物+铜粉末：改善聚合物的导电性应用于核工业中、铅粉的加入为了吸收中子三、纤维增强复合材料纤维增强聚合物复合材料：综合了两者优点、具有较高的强度和刚度、优良的耐疲劳强度及较高强度—密度比（比强度）基体：要具有柔性、延展性增强纤维应具有：强度高、刚性好（通常性脆）种类繁多：泥坯（古老）钢筋混凝土（现代）增强纤维种类：玻璃纤维、硼、石墨及细小的陶瓷晶须第四节复合材料一、概述二、颗粒状复合材料纤维在基体中排列方式：三维编织排列连续单向随机趋向不连续正交纤维纤维连续单向排列（各向异性）正交排列随机取向排列（各向同性、如玻璃钢）建筑钢筋网架特殊情况、某些性能可预测：复合材料的性能通常难以预测、只能通过试验测定纤维增强复合材料的线性复合效应（2）单向连续纤维增强复合材料、沿单向纤维方向的电纤维增强复合材料的线性复合效应（1）纤维增强复合材料的密度可用混合律描述基体、纤维的体积分量基体、纤维的密度电导率：导热系数：弹性模量：导率、导热系数及弹性模量也可用混合律描述：基体、纤维的电导率下标任何复合材料的密度均可如此计算弹性模量：（3）与单向连续纤维垂直方向上复合材料的弹性模量：影响纤维增强复合材料特性的因素（1）纤维的细长比－长细比细长比越大、材料的刚度和强度越高长度与直径之比连续纤维产生最佳性能，工艺上难以组合进基体材料中（2）纤维的体积系数体积系数越大、材料的刚度和强度越高上限为80%、取决于基体包围纤维的能力相同掺杂量（3）纤维取向单向纤维增强复合材料沿纤维方向上表现最佳强度和刚度正交或交叉铺设纤维牺牲了最大强度、性能均匀单向纤维缺点：各向异性（4）纤维的性能强度和刚度高、质轻、熔点高综合指标好比强度：比模量：屈服强度:－材料在拉伸过程中产生永久变形时的应力高较好的选材：石墨、硼、SiC等低原子序数、共价键材料晶须具有最高的强度和刚度、缺点：制造成本高、不连续纤维在弹性限度内所能承受的最大应力传递应力给纤维、并能使纤维上裂纹不进一步扩展（5）基体性能应有良好的韧性和延展性、一定的强度和较高的熔点四、层状复合材料基体表面上的薄膜层、厚的表面保护层、包覆层，双金属层，层压板等分层材料提高基体的耐磨、耐腐蚀性、提高基体的表面强度、改善外观、降低成本、或实现其它特殊功能1、设计目的2、层状复合材料的应用举例①层压板：用有机粘合剂粘接在一起的层状材料胶合板：用酚醛树脂或氨基树脂胶合成的多层薄木板保险玻璃：双层玻璃、聚氯丁缩醛粘结防止破碎时四处飞散②堆焊硬化用熔焊技术在基体材料表面沉积一层耐磨、耐腐蚀或耐热材料