西华大学-工程材料-期末考试总复习11-非金属材料

1、11 非金属材料 11.1 高分子材料 11.2 陶瓷 11.3 复合材料,11.1 高分子材料,高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料，常称聚合物或高聚物。 1.高分子化合物的组成与结构 （1）组成 高分子化合物的分子量一般104 。高分子化合物有天然的，也有人工合成的。工业用高分子材料主要是人工合成的。 高分子化合物由低分子化合物通过聚合反应获得。合成高分子化合物的低分子化合物称作单体。如由乙烯合成聚乙烯: CH2=CH2+CH2=CH2+-CH2-CH2-CH2-CH2- ,聚乙烯分子链,聚合物的分子为很长的链条，称为大分子链。,链节的结构和成分代表高聚物的结构和成分。当高聚物只由一

2、种单体组成时，单体的结构即为链节的结构，也就是整个高聚物的结构。 链节的重复次数称为聚合度。一个大分子链的相对分子质量M，应该是它的链节的相对分子质量m和聚合度n的乘积，即M=Nm。 高聚物的性能及使用时的稳定性是随着分子大小不同而变化。,高分子材料的分类： 按用途分塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、涂料等。 按聚合物反应类型分为加聚物和缩聚物。 按聚合物的热行为分为热塑性聚合物和热固性聚合物 按主链上的化学组成分为碳链聚合物、杂链聚合物和元素有机聚合物,（2）合成 常用的聚合反应有加成聚合反应（简称加聚反应）和缩合聚合反应（简称缩聚反应）两种。 加聚反应是指一种或几种单体相互加成而连接成聚合物的反应

3、，反应过程中无副产物生成，因此生成物与其单体具有相同的成分。加聚反应是当前高分子合成工业的基础。 缩聚反应是指一种或几种单体相互混合而连接成聚合物，同时析出（缩去）某种低分子物质（如水、氨、醇、卤化氢等）的反应。反应生成物成分与单体不同，反应也较复杂。,（3）结构,高分子材料结构可分为大分子链结构和聚集态结构，链结构是指单个分子的结构和形态，又分为近程结构和远程结构。近程结构是指单个大分子结构单元的化学组成、链接方式和立体构型等；远程结构是指分子的大小与形态，链的柔顺性及分子的构象。聚集态结构是指高分子材料整体的内部结构，即分子间的结构形式，包括晶态结构、非晶态结构、取向态结构、液晶态结构等。

4、,大分子链结构：,大分子链的化学组成 高分子材料分子链的结构首先取决于其结构单元的化学组成。其中碳是形成大分子链的主要元素。 大分子链根据组成元素不同分为三类：碳链大分子（主链全部由碳原子以共价键相连接）、杂链大分子（大分子链除有碳原子外，还有氢、氮、硫、磷等原子，它们以共价键相连接）、元素链大分子（大分子主链不含碳原子，而是由硅、氧、硼、硫、磷等元素组成）。大分子链的化学组成不同，原子间共价键力就不同，高分子材料的化学和物理性能也不同。例如碳链高分子大多由加聚反应制得，不宜水解。碳链高分子聚苯乙烯、聚氯乙烯和聚乙烯分别如下：,杂链高分子材料是由缩聚反应制得，因主链带有极性，易水解。元素有机高

5、分子材料兼具无机物的热稳定性及有机物的弹性和塑性。杂链高分子聚碳酸酯、聚氨酯和聚砜分别如下：,大分子链的几何结构 高分子材料大分子链有线型、支化型和体型（网型或交联型）结构三类。 线型分子链如同一根细长的铁丝，可以蜷曲成团，也可以伸展成直线，这取决于分子本身的柔顺性及外部条件。 支化型分子链是在线型大分子主链上有一些或长或短的小支链，整个大分子呈树枝状。支化高分子材料的化学性质与线型分子相似，但由于存在支链，分子链之间不易形成规则排列，难于完全结晶为晶体，且支链使塑性变形难以进行，对物理力学性能的影响有时相当显著。 体型分子链是大分子链之间通过支链或化学键连接成一个三维空间网型大分子。由于网状

6、分子链的形成，使聚合物分子间不易相互流动，因而提高了聚合物的强度、耐热性及化学稳定性。 线型和支化型分子链构成的聚合物统称线型聚合物，具有高弹性和热塑性，即可通过加热和冷却的方法重复的软化（或熔化）和硬化（或固化），故又称为热塑性聚合物；体型分子链构成的聚合物称为体型聚合物，具有较高的强度和热固性，即加热加压成形固化后，不能再加热熔化或软化，故又称为热固性聚合物。,大分子链的空间构型 大分子链的空间构型是指大分子链中原子或原子团在空间的排列方式，即链结构。分子链的取代（侧）基R全部分布在主链的一侧，称为全同立构；取代基R相间地分布在主链的两侧，称为间同立构；取代基R无规则地分布在主链的两侧，称

7、为无规立构。 分子链的空间构型对高分子材料的性能有显著影响。成分相同的聚合物，全同立构和间同立构者容易结晶，具有较好性能，其硬度、相对密度、软化温度及熔点都较高；而无规立构者不易结晶，性能较差，易软化。,大分子链的构象及柔顺性： 高分子材料结构单元是通过共价键重复连接形成线型大分子，共价键的特点是键能大(130630kJ/mol)，原子间距离短，两键间夹角基本一定。碳-碳单键可以绕轴旋转，一个高分子链中有许多单键，每个单键都能内旋转，因此，高分子在空间的形态具有无穷多个，通常并不伸直的，而是卷曲起来使分子采取各种形态，称之为无规线团，对外力有很大的适应性，表现出范围很广的伸缩能力。由于单键内旋

8、转而产生的大分子链在空间的不同形态称为大分子链的构象，能有构象变化获得不同卷曲程度的特性，即为大分子链的柔顺性。 同一种分子链，分子链愈长，温度愈高，柔性增加。 柔性大的分子链聚合物的强度、硬度和熔点较低，但弹性和韧性较好。,高分子材料的聚集态：,高分子材料的聚集态结构指材料本体内大分子链间的几何排列和堆砌结构，此是决定高分子材料性质的主要因素。高分子材料聚集态结构一般分为非晶态（分子链在空间无规则排列，亦称玻璃态）、晶态（分子链在空间规则排列）、部分晶态（分子链在空间部分规则排列）。通常线型聚合物在一定条件下可形成晶态或部分晶态，体型聚合物由于分子链间存在大量交联，分子链不可能作有序排列，所

9、以都为非晶态。 柔性长链线型高分子材料分子固化时可以结晶，但由于这些细长缠结的分子在固化时粘度太大，运动较困难，不可能完全进行有规则的排列，因而有相当一部分保留为非晶态过冷液体。所以晶态高分子材料如聚乙烯、聚四氟乙烯等，一般都只有50%80%的结晶度（晶区所占有的质量分数），实际为两相结构。,为表征这一结构提出了各种模型，最为人们接受的是缨状微束模型，该模型认为，在结晶聚合物中，晶区与非晶区互相穿插，同时存在。一个大分子链可以穿过几个晶区和非晶区，在非晶区，分子链仍是卷曲相互缠结的。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。,（4）高聚物的物理、力学状

10、态 1）线型非晶态高聚物的三种力学状态 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化温度，用Tg表示。用于这种状态的材料有塑料和纤维。较高的强度、硬度和刚度。 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。用于这种状态高聚物是橡胶。 粘流态：由于温度高，分子活动能力很大，在外力作用下，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。,线型非晶态高聚物的温度-变形曲线,2）线型晶态高聚物的力学状态 结晶度高的高聚物其熔点tm=tf，温度高于tm

11、时呈粘流态，温度降低到tm时发生结晶。分子量很大的晶态高聚物温度大于tf时为粘流态，温度在tmtf间为高弹态，温度降低到tm时发生结晶。 结晶度一般的线型高聚物，非晶区在Tg温度以上和晶区在Tm以下存在一种即韧又硬的皮革态。非晶区处于高弹态，柔韧性好,晶区则具有较高的强度和硬度，两者复合组成皮革态。,线型晶态高聚物的温度-变形曲线,3）体型高聚物的力学状态 体型高聚物的交联度较低时，具有高弹态，交联度较大时，只有玻璃态一种状态。,（5）高分子材料的力学性能特点,与金属材料相比，高分子材料力学性能的最大特点是高弹性和粘弹性。高分子材料的弹性形变量可达100%1000%，这是由于链段能自由运动的结

12、果；高分子材料的粘弹性是指其应变不仅取决于应力，而且取决于应力作用的速度，在研究高分子材料的力学行为是必须考虑应力、应变与时间的关系及温度的依赖性。 1）强度低 高分子材料的强度比金属材料低，但其密度远小于金属材料，所以其比强度很高，某些增强塑料的比强度比钢铁和其他金属还高。 2）弹性高、弹性模量低 3）粘弹性 粘弹性产生的原因：链段的运动受阻，需时间调整构象来适应外力的要求，所以外力作用的速度愈快，链段愈来不及做出反应，则粘弹性愈显著。根据高分子材料材料受到外部作用的情况不同，粘弹性的主要表性有蠕变、应力松弛和内耗等。,4）塑性相对较好 5）韧性 高分子材料的优点之一是内在的韧性很好。高分子

13、材料的韧性用冲击韧度值表示。冲击韧度与断裂强度和断裂伸长率有关，只有强度和塑性都高时，韧性才可能高。在非金属材料中它的韧性是比较好的，但由于强度低，高聚物的冲击韧度比金属小得多。 6）减摩、耐磨性是金属材料无法比拟的 2.高分子材料的物理性能和化学性能特点,高分子工程材料包括塑料、合成纤维、橡胶和胶粘剂等。 2.工程塑料 （1）概论 1）塑料的定义 塑料是以合成树脂为主要成分，加入各种添加剂的有机高分子材料，在树脂、纤维、橡胶三大合成材料中，以合成树脂的产量最大，用它制成的塑料几乎占全部三大合成材料的2/3。塑料在室温或更高的温度下，有较好的力学性能，可作为结构材料使用。 2）塑料的分类 按树

14、脂受热时行为可分为热塑性塑料和热固性塑料。 按用途可分为通用塑料、工程塑料和特种塑料。 通用塑料产量大、价格低、用途广。 工程塑料力学性能高，耐热、耐蚀性能好。 特种塑料是指具有某些特殊性能如耐高温、耐腐蚀的塑料，这类塑料产量少，价格贵，只用于特殊需要的场合。,3）塑料的性能特点 塑料的优点：相对密度小(一般为0.9 2.3)；耐蚀性、电绝缘性、减摩、耐磨性好；有消音吸振性能 。 塑料的缺点：刚性差(为钢铁材料的1/1001/10)，强度低；耐热性差、热膨胀系数大（是钢铁的10倍）、导热系数小(只有金属的1/2001/600)；蠕变温度低、易老化。,（2）常用工程塑料 1）一般结构用塑料 包括

15、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)和ABS塑料等。 聚乙烯：根据不同的聚合方法及产品密度，可分为低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)和超高相对分子质量聚乙烯。聚乙烯是当前产量最大的塑料。 聚丙烯：具有优良的综合性能，可制造各种机械零件。 ABS塑料 ：“坚韧、质硬、刚性” ，应用广泛。,聚四氟乙烯俗称“塑料王”，具有极优越的化学稳定性和热稳定性以及优越的电性能，几乎不受任何化学药品的腐蚀，摩擦系数极低，只有0.04。缺点是强度低、加工性差。主要用于减摩密封件、化工耐蚀件与热交换器以及高频或潮湿条件下的绝缘材料。,2

16、） 摩擦传动零件用塑料 包括聚酰胺(PA)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、聚四氟乙烯(PTFE)等。 聚酰胺又称尼龙或绵纶，强度较高，耐磨、自润滑性好，广泛用作机械、化工及电气零件。 聚甲醛具有优良的综合性能，广泛用于汽车机床、化工、电气仪表、农机等工业。 聚碳酸酯具有优良的机械性能，透明无毒，应用广泛。,3） 耐蚀用塑料 耐蚀用塑料主要有聚四氟乙烯(PTFE)、氯化聚醚(PENTON)、聚丙烯(PP)等。 氯化聚醚的化学稳定性仅次于聚四氟乙烯，但工艺性比聚四氟乙烯好，成本低。在化学工业和机电工业获得广泛应用，如化工设备零件、管道、衬里等。 4）耐高温件用塑料 有聚砜(PSF)、聚苯醚(

17、PPO)、聚酰亚胺(PI)及氟塑料等。 聚砜的热稳定性高是其最突出的特点。使用温度达150174。用于机械设备等工业。 聚苯醚具有良好的综合性能,用于机电等方面。 聚酰亚胺在260下可长期使用。主要用于特殊条件下使用的精密零件。,氯化聚醚防腐蝶阀,聚酰亚胺层压板,5） 热固性塑料 热固性塑料是在树脂中加入固化剂压制成型而形成的体形聚合物。工业上常用的热固性塑料有酚醛塑料、氨基塑料、环氧塑料、不饱和聚酯塑料、有机硅塑料、耐高温的聚酰亚胺等。 酚醛塑料是以酚醛树脂为基，加入填料及其他添加剂而制成。广泛用于制作各种电讯器材和电木制品（如插座、开关等），耐热绝缘部件及各种结构件。,电器配件,3.合成橡

18、胶,橡胶是以高分子化合物为基础的具有高弹性的材料。 （1）橡胶的组成和性能特点 工业用橡胶由生胶和橡胶配合剂组成。生胶无配合剂并未经硫化。橡胶配合剂有硫化剂、硫化促进剂、防老剂、软化剂、填充剂、发泡剂、着色剂等。 橡胶最大的特点是高弹性。橡胶有储能、耐磨、隔音、绝缘等性能。 （2）常用合成橡胶 合成橡胶按用途和用量分为通用橡胶和特种橡胶，前者主要用于制作轮胎、运输带、胶管、胶板、垫片、密封装置等；后者主要用于高低温、强腐蚀、强辐射等特殊环境下工作的橡胶制品。,11.2 陶瓷材料,传统陶瓷材料是指硅酸盐类材料，现在指金属和高聚物以外的各种无机非金属材料的通称。,1.陶瓷材料的分类 氧化物陶瓷 按

19、成分：氮化物陶瓷 硼化物陶瓷 按用途：普通陶瓷 特种陶瓷,陶瓷的原料通常由粘土、石英和长石三部分组成。工业陶瓷的生产是个很复杂的过程，其基本工艺过程包括：原料制备、坯料成形、制品烧成或烧结。 陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等，因而其结合键以离子键(如Al2O3)、共价键(如Si3N4)及两者的混合键为主。,2.陶瓷材料的组成与结构 陶瓷的典型组织通常由三种不同的相组成，即晶体相(1)莫来石和石英、玻璃相(2)和气相(3)气孔。 晶体相是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷材料力学、物理、化学性质的主要是晶相。陶瓷中的晶体相主要有硅酸盐、氧化物、非氧化合物等。,硅酸盐是普通陶瓷的

20、主要原料及晶体相。用于制造陶瓷材料的主要硅酸盐矿物有长石、高岭土、滑石、镁橄榄石等。在所有的硅酸盐结构中起决定作用的是硅-氧间的结合。硅酸盐结构是以硅氧四面体为基本单元；硅-氧间的结合不只是离子键，还有一定的共价键成分。每个四面体的氧原子外层只有7个电子，故为-1价，还能和其他金属离子键合；硅氧四面体通过共有顶点氧离子以不同方式相互连接起来。按照SiO4四面体在空间的组合，可将硅酸盐分成四类：岛状结构、 链状结构、层状结构、骨架状结构。 氧化物是大多数陶瓷尤其是特种陶瓷的主要组成和晶体相。 玻璃相的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材料致密度、降低烧结温度和抑制晶粒长大。 气相是在工艺过程中形

21、成并保留下来的。,3.陶瓷材料的性能特点 弹性模量及硬度在各类材料中最高，弹性模量大，刚性好；抗拉强度很低，抗弯强度较高，而抗压、抗弯强度非常高；室温下几乎没有塑性，典型的脆性材料；陶瓷材料还具有耐磨损、耐高温、密度小、高化学稳定性、耐氧化、温度急变抗力很低等特性。 功能陶瓷还具有电、光、磁等特殊性能。,11.3 复合材料,复合材料是指由两种或两种以上不同性能、不同形态的材料通过复合工艺组合而成的多相材料。严格来说，复合材料并不是新的或近来的想法。自然界中充满了利用复合材料的实例。 远古时代人们用草茎掺入泥土制成建筑用的土坯，目前广为使用的混凝土，都属于复合材料。 复合材料作为一个确切的学科起

22、源于20世纪60年代初期。当时由于战争的需要，美国大力发展玻璃纤维增强高聚物来制造飞机构件，同时开展了相应的基础,复合材料船体,研究并向民用工业发展。为了提高纤维的弹性率，人们开发了硼纤维、碳纤维、耐热氧化铝纤维等；为了改善树脂的耐热性，用金属代替树脂，出现了金属基复合材料的研究热潮。,同时，人们对陶瓷基复合材料的基体也给予了高度的重视。如果将玻璃强化树脂看作是第一代复合材料，则碳纤维、硼纤维增强的聚合物可以称为第二代复合材料，以金属或陶瓷为基体的复合材料则称为第三代复合材料。复合材料的发展带来了材料科学的重大变革，形成了金属材料、无机材料、高分子材料和复合材料的多角共存的格局。 如： 木材是纤维素和木质素的天然复合材料， 钢筋混凝土是钢筋和泥沙石等人工复合材料， 土坯是稻草和泥土制成的人工复合材料， 玻璃钢是玻璃纤维增强工程塑料。,从复合材料的组成和结构分析，其中有一相是连续的称为基体相，另一相是分散的、被基体包容的称为增强相。增强相与基