1、6.1 高分子材料6.2 陶瓷材料6.3 復(fù)合材料 第6章 非金屬材料及復(fù)合材料機(jī)械機(jī)械工程材料工程材料（趙亞忠）（趙亞忠）西安電子科技大學(xué)出版社西安電子科技大學(xué)出版社汽車是由幾萬(wàn)個(gè)零件組裝而成，其中非金屬材料約占20%。汽車的內(nèi)飾件和外飾件幾乎全部是高分子材料；汽車上還有玻璃材料的窗玻璃和燈玻璃、陶瓷材料的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和高溫軸承等非金屬零件。近年來(lái)汽車上非金屬材料保持著進(jìn)一步擴(kuò)大的趨勢(shì)。高分子材料是以高分子化合物為主要組分的材料。每個(gè)高分子化合物含有成千上萬(wàn)，甚至數(shù)十萬(wàn)個(gè)原子，它們的分子量一般都在103-106之間，分子長(zhǎng)度為0.110um，具有一定的彈性和強(qiáng)度。如橡膠的分子量為10萬(wàn)左右，合

2、成纖維的分子量也在1萬(wàn)以上。高分子化合物是以共價(jià)鍵連接起來(lái)的長(zhǎng)鏈狀結(jié)構(gòu)的大分子，通常稱為大分子鏈 。大分子鏈?zhǔn)怯梢环N或幾種結(jié)構(gòu)相同的單元通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合，每種單元稱為一個(gè)鏈節(jié)。大分子鏈之間以分子鍵結(jié)合。6.1 高分子材料聚乙烯聚四氟乙烯順丁橡膠氯丁橡膠聚丙烯腈1 高分子化合物的合成 一個(gè)分子：n個(gè)分子：?jiǎn)误w單體鏈節(jié)鏈節(jié)一種單體的加聚一種單體的加聚反應(yīng)生成均聚物反應(yīng)生成均聚物n 為為聚合度聚合度大分子鏈，高聚大分子鏈，高聚物，聚合物物，聚合物高分子化合物都是由一種或幾種簡(jiǎn)單的低分子化合物重復(fù)連接而成。這種能形成高分子化合物的低分子化合物稱為單體。由單體轉(zhuǎn)變成高分子化合物的過(guò)程稱為聚合。加聚反應(yīng)是由

3、一種或多種單體相互加成而連接成線型聚合物的反應(yīng)。例如：乙烯加聚成聚乙烯，此為均加聚，產(chǎn)物稱為均聚物。 A B SA B S共聚物共聚物: : 由兩種或兩種以上的單體經(jīng)過(guò)加聚反應(yīng)生成的高分子化合物。例：ABS塑料。單體為：A丙烯脂 B丁二烯 S苯乙烯如果把均聚物比做純金屬，那么共聚物就像在其中加入了適量的合金元素形成的各種合金。高分子共聚物可使兩種或兩種以上的單體鏈節(jié)交錯(cuò)連接，成為一種新型的高分子化合物，它可以改善原有高分子化合物的性能，使高分子材料性能多樣。 縮聚反應(yīng)是指由一種或幾種單體相互作用生成大分子、并同時(shí)析出其它低分子物質(zhì)(如水、氨、醇等)的反應(yīng)。由兩種以上單體進(jìn)行的縮聚反應(yīng)稱為共縮聚

4、反應(yīng)，其產(chǎn)物為共縮聚物， 如由己二胺和己二酸通過(guò)共縮聚反應(yīng)生成尼龍66的反應(yīng)式如下： 由一種單體進(jìn)行的縮聚反應(yīng)稱為均縮聚反應(yīng)，其產(chǎn)物為均縮聚物由氨基己酸均縮聚生成尼龍66(聚酰胺)的均縮聚反應(yīng)式如下： 2 主要術(shù)語(yǔ)及概念 組成大分子鏈的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元稱為鏈節(jié)。鏈節(jié)的結(jié)構(gòu)和成分代表高分子化合物的結(jié)構(gòu)和成分。大分子鏈中鏈節(jié)的重復(fù)次數(shù)稱為聚合度，用n表示。聚合度越大，大分子鏈越長(zhǎng)。每一個(gè)大分子鏈的分子量(M) 是鏈節(jié)的分子量(m)與聚合度(n)的乘積，即 M=mn。3 高分子化合物的分類按來(lái)源按來(lái)源天然聚合物：天然橡膠，纖維素，蛋白質(zhì)等。人造聚合物：經(jīng)人工改性的天然聚合物。例：硝酸纖維。合成聚合物：完

5、全由低分子人工合成。如聚氯乙烯。按反應(yīng)類型按反應(yīng)類型加聚物：如聚烯烴縮聚物：如酚醛樹(shù)脂按分子的幾何結(jié)構(gòu)按分子的幾何結(jié)構(gòu) 線型高聚物；體型高聚物按工藝或性質(zhì)分為按工藝或性質(zhì)分為塑料：以樹(shù)脂為主要成分的有機(jī)高分子固體材料。在一定的溫度和壓力下具有可塑性，能塑制成一定形狀的制品，且在常溫下能保持形狀不變。 橡膠：二烯類化合物的高聚物。室溫下高彈性。 纖維：由聚合物抽絲而成，軸向強(qiáng)度高。 粘接劑:由聚合物作基料，加入添加劑構(gòu)成。 涂料:涂在物體表面上能干結(jié)成膜的有機(jī)高分子膠體的混合溶液。 結(jié)構(gòu)分類結(jié)構(gòu)分類聚合物聚合物結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu)聚集態(tài)聚集態(tài)結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu)結(jié)晶結(jié)晶無(wú)定無(wú)定型態(tài)型態(tài)玻璃態(tài)玻璃態(tài)高彈高彈態(tài)態(tài)粘流態(tài)

6、粘流態(tài)大分子大分子鏈結(jié)構(gòu)鏈結(jié)構(gòu)宏觀結(jié)構(gòu)宏觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)線型支鏈型體型重復(fù)單元結(jié)構(gòu)序列結(jié)構(gòu)立體異構(gòu)結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成C鏈最多，鏈最多， C、H、O、N等元素能組合成鏈狀分子的結(jié)構(gòu)單元。大分子鏈組成元素不同，性能差別很大。如聚乙烯中的H被F原子代替，即聚四氟乙烯，是耐王水腐蝕的塑料王。1 1 大分子鏈結(jié)構(gòu)大分子鏈結(jié)構(gòu)-微觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)氯乙烯高聚物的分子中，發(fā)現(xiàn)有頭頭、尾尾和頭尾等不同的鍵接方式。共聚物中，鍵接的方式更為多樣，可以是無(wú)規(guī)則、交替、鑲嵌(嵌段)或接枝共聚等。大分子鏈的鍵接方式 22()CFCF四氟乙烯：四氟乙烯：22()CHCH聚乙烯：聚乙烯：大分子鏈的構(gòu)象在保持鍵長(zhǎng)和鍵角不變

7、的情況下，每一個(gè)單鍵可繞相鄰單鍵進(jìn)行任意旋轉(zhuǎn)(又稱內(nèi)旋轉(zhuǎn))。單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)使原子排列空間位置變化。這種由于單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)所引起的主鏈原子占據(jù)不同空間位置所構(gòu)成的分子鏈的各種形狀，稱為大分子鏈的構(gòu)象。單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)使大分子鏈時(shí)而伸長(zhǎng)，時(shí)而卷曲。這種能由構(gòu)象變化獲得不同卷曲程度的特性稱為大分子鏈的柔順性。具有柔順性分子鏈的高聚物表現(xiàn)出好的彈性和韌性。 C-CC-C鏈結(jié)構(gòu)鏈結(jié)構(gòu)只要保持鍵長(zhǎng)和鍵角不變，單鍵可以內(nèi)旋轉(zhuǎn)；使大分子鏈具有不同的構(gòu)象。單鍵容易內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，柔順性好，高分子表現(xiàn)出橡膠的性質(zhì)。單鍵不容易內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，高分子表現(xiàn)出塑料的性質(zhì)。帶支鏈?zhǔn)窃诰€型大分子主鏈上又接出一些短的支鏈。這類結(jié)構(gòu)高聚物的性能和加工都

8、接近線型分子鏈高聚物。網(wǎng)狀鏈?zhǔn)欠肿渔溑c分子鏈之間有許多鏈節(jié)相互交聯(lián)在一起，形成網(wǎng)狀的交聯(lián)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)狀鏈的大分子主鏈、支鏈之間交聯(lián)成一體，鏈段以至整個(gè)大分子鏈活動(dòng)困難，其彈性、塑性很低，表現(xiàn)出硬而脆的特點(diǎn)。 2 2 大分子鏈結(jié)構(gòu)大分子鏈結(jié)構(gòu)宏觀結(jié)構(gòu)宏觀結(jié)構(gòu)伸直鏈和卷曲鏈?zhǔn)怯稍S多鏈節(jié)組成的長(zhǎng)鏈，屬于線型分子鏈。這類結(jié)構(gòu)高聚物的特點(diǎn)是彈性、塑性好，硬度低，是熱塑性材料的典型結(jié)構(gòu)。高分子化合物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)：指高聚物內(nèi)部高分子鏈之間的幾何排列或堆砌結(jié)構(gòu)。分子量越大，聚合度越高，大分子間的作用力越大，故強(qiáng)度、硬度增加。例：聚乙烯的分子量50萬(wàn)時(shí)，=15MPa，分子量100萬(wàn)時(shí)=40MPa。3 3 高分子聚焦

9、態(tài)結(jié)構(gòu)高分子聚焦態(tài)結(jié)構(gòu)高聚物按其原子在空間排列規(guī)則與否，可分為非晶態(tài)區(qū)域和晶態(tài)區(qū)域兩類。 相應(yīng)的高聚物分為：結(jié)晶型、部分結(jié)晶型和非晶態(tài)三類高聚物。 晶態(tài)晶態(tài) 部分晶態(tài)部分晶態(tài) 非晶態(tài)非晶態(tài) 晶態(tài)結(jié)構(gòu)在高聚物中所占比例稱為結(jié)晶度。結(jié)晶度越高，分子間作用力越強(qiáng)，因此高分子化合物的強(qiáng)度、硬度、剛度和熔點(diǎn)越高，耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性越好；而彈性、伸長(zhǎng)率、沖擊韌性則降低。影響結(jié)晶度的因素：分子鏈的結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分子鏈短，利于結(jié)晶。外力的影響：拉伸促進(jìn)高聚物的結(jié)晶。例如：尼龍繩、包裝帶越拉越強(qiáng)。冷卻速度：從熔融態(tài)緩慢冷卻有利于結(jié)晶，快冷不利于結(jié)晶。溫度：高聚物對(duì)應(yīng)結(jié)晶速度最快的溫度TK，在TK溫度保溫，結(jié)晶

10、可充分進(jìn)行。天然橡膠，TK=-24。 不同結(jié)晶度的聚乙烯的性能 線型非晶態(tài)聚合物在恒定應(yīng)力下的變形-溫度曲線非晶態(tài)聚合物的三態(tài)變化Tg稱為玻璃化溫度，是高聚物保持玻璃態(tài)的最高溫度。 溫度較低時(shí)，高聚物處在玻璃態(tài)，此時(shí)分子熱運(yùn)動(dòng)能量很小，分子鏈的單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)無(wú)法進(jìn)行，鏈段運(yùn)動(dòng)困難，故大分子鏈的構(gòu)象難以改變。Tf大分子鏈開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的溫度稱為粘流溫度。在TgTf 溫度之間時(shí)，分子動(dòng)能增加，通過(guò)單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)，鏈段將不斷運(yùn)動(dòng)，大分子的構(gòu)象不斷改變，可使大分子鏈的一部分卷曲或伸展開(kāi)來(lái)，這種狀態(tài)稱為高彈態(tài)。高彈態(tài)下的高聚物彈性模量小，但能產(chǎn)生很大的變形，去掉外力后，又可恢復(fù)原狀。 當(dāng)溫度高于粘流溫度Tf時(shí)，分子

11、活動(dòng)能力更大，鏈段熱運(yùn)動(dòng)加劇，大分子鏈之間能相對(duì)滑動(dòng)，大分子鏈能整體移動(dòng)，高聚物成為一種粘態(tài)的熔體。粘流態(tài)是高聚物成形的工藝狀態(tài)。 當(dāng)分子量小于一定值時(shí)，高彈區(qū)消失；升高溫度，高聚物直接由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變成粘流態(tài)。對(duì)于具有網(wǎng)狀鏈的非晶態(tài)高聚物，因其鏈間運(yùn)動(dòng)受到很大束縛，以致粘流態(tài)消失，甚至只存在玻璃態(tài)。晶態(tài)高聚物呈部分結(jié)晶狀態(tài)。結(jié)晶區(qū)不出現(xiàn)高彈態(tài)，當(dāng)溫度升到結(jié)晶區(qū)熔點(diǎn)溫度(Tm)時(shí)，結(jié)晶區(qū)熔化。對(duì)于非結(jié)晶區(qū)，依舊存在著三態(tài)。這類高聚物中皮革態(tài)，即非晶態(tài)區(qū)處于高彈態(tài)，晶態(tài)區(qū)保持較高的強(qiáng)度和硬度。晶態(tài)高聚物的三態(tài)變化非晶態(tài)高聚物三態(tài)變化力學(xué)性能比強(qiáng)度高 高彈性 低硬度 物理性能 電絕緣性優(yōu)良 耐熱性差

12、導(dǎo)熱性低、膨脹大 化學(xué)性能化學(xué)穩(wěn)定性高，在酸、堿、鹽中耐蝕性較強(qiáng)。降解困難，污染環(huán)境。如聚四氟乙烯在沸騰的王水中仍很穩(wěn)定，稱“塑料王”。高分子材料老化高分子材料在長(zhǎng)期使用或存放過(guò)程中，在熱、光、輻射、氧和臭氧、酸堿、微生物等的作用下，使得聚合物內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致聚合物的性能隨時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸惡化，直至喪失使用功能，這個(gè)過(guò)程稱為老化。老化是不可逆的。如橡膠-龜裂、變軟、變粘；塑料-脫色、失去光澤、開(kāi)裂等。原因：分子鏈產(chǎn)生交聯(lián)或支化分子鏈產(chǎn)生交聯(lián)或支化，使其變硬、變脆；大分子鏈發(fā)生斷鏈大分子鏈發(fā)生斷鏈或裂解，或裂解，相對(duì)分子質(zhì)量降低，使聚合物發(fā)軟變粘，力學(xué)性能劣化。措施：表面防護(hù)、加入抗老化劑等

13、。 1 塑料合成樹(shù)脂：是塑料的主要組分，決定塑料的基本性能。 如酚醛樹(shù)脂、聚乙烯等。添加劑:改善塑料某些性能填 料:起增強(qiáng)作用增塑劑:提高樹(shù)脂的可塑性和柔軟性潤(rùn)滑劑:防止塑料加工時(shí)粘在模具上, 使制品光亮固化劑:使熱固性樹(shù)脂由線型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定劑:防止塑料老化，延長(zhǎng)其使用壽命著色劑:用于塑料制品著色 1 1）塑料的組成）塑料的組成按塑料受熱后的性質(zhì)分類：熱塑性塑料：熱熔性塑料。受熱時(shí)軟化并熔融，成為可流動(dòng)的粘稠液體，冷卻后便固化成型。這一過(guò)程可反復(fù)進(jìn)行，而樹(shù)脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)基本不變。聚合樹(shù)脂，線型高分子鏈。加熱融化、冷卻硬化，可重復(fù)利用。熱固性塑料：在一定溫度下能軟化或熔融，冷卻后固化成型

14、。一旦成型后便不能被溶劑溶解；再度加熱，也不會(huì)再度熔融，溫度過(guò)高時(shí)只能分解而不能軟化，只能塑制一次。樹(shù)脂在加熱變化的前后的性質(zhì)完全不同，發(fā)生物理變化（塑化），化學(xué)變化（交聯(lián)固化），這種變化是不可逆的。縮聚樹(shù)脂，體型高分子鏈；加熱發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，固化堅(jiān)硬；不溶解，再加熱時(shí)不再融化，不能循環(huán)使用。2 2）塑料的分類）塑料的分類3 3）塑料的特性）塑料的特性質(zhì)輕、比強(qiáng)度高；化學(xué)穩(wěn)定性好；優(yōu)異的電絕緣性；減摩、耐磨性好；消聲和吸振性好；成形加工性好。耐熱性差，多數(shù)塑料使用溫度0.1)，容易引起應(yīng)力集中，而使強(qiáng)度降低；直徑過(guò)小(0.01)，則近于固溶體結(jié)構(gòu)，顆粒強(qiáng)化作用不大。增強(qiáng)顆粒直徑一般在0.010.

15、1范圍內(nèi)增強(qiáng)效果最好。陶瓷顆粒：A12O3顆粒、ZrO2、WC、TiC、SiC 等 金屬粉末：鋁、銅、鎳、鋅等 塑料中加入木粉、石棉粉、云母粉，在橡膠中加入的炭黑、二氧化硅等 增強(qiáng)顆粒ZrO2粉碳黑TiC粉鎳粉比強(qiáng)度和比剛度高減振性能好，避免構(gòu)件工作時(shí)產(chǎn)生共振提高基體材料的使用溫度和高溫強(qiáng)度抗疲勞和破斷安全性能好高溫性能優(yōu)良 強(qiáng)度韌性高，密度小，耐蝕性、絕緣性、絕熱性好，不吸水，低的熱膨脹系數(shù)、防磁。用于自重輕的受力構(gòu)件及要求無(wú)磁性、絕緣、耐蝕、防水的零件，如航天、航空中的雷達(dá)罩、直升飛機(jī)的機(jī)身，火箭導(dǎo)彈發(fā)射筒殼體、輕型艦船的船身。1.纖維-樹(shù)脂復(fù)合材料玻璃纖維的抗拉強(qiáng)度可達(dá)10003000M

16、Pa；熱塑性塑料的抗拉強(qiáng)度為40-80MPa；增強(qiáng)后復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度提高1倍以上，達(dá)90-180MPa。玻璃纖維增強(qiáng)熱固性塑料的強(qiáng)度達(dá)100-340MPa。 玻璃鋼風(fēng)機(jī)玻璃鋼化糞池玻璃鋼管道玻璃鋼小艇1）纖維-樹(shù)脂復(fù)合材料2）其它纖維樹(shù)脂復(fù)合材料碳纖維-樹(shù)脂復(fù)合材料具有更高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量。SiC-樹(shù)脂復(fù)合材料-固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管硼纖維-樹(shù)脂復(fù)合材料用于飛機(jī)上碳纖維-樹(shù)脂復(fù)合材料頭盔風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片球拍2 纖維-金屬?gòu)?fù)合材料纖維增強(qiáng)金屬?gòu)?fù)合材料由高強(qiáng)度、高模量的纖維與韌性好的金屬基體組成。常用增強(qiáng)纖維為硼纖維、碳纖維、碳化硅纖維與氧化鋁纖維；常用基體相為鋁合金、鎂合金、鈦合金、高溫合金。金屬基復(fù)合材料發(fā)揮了金屬與增強(qiáng)相的優(yōu)點(diǎn)，具有高的比強(qiáng)度、比模量、疲勞強(qiáng)度以及良好的耐磨、耐腐蝕性能。與樹(shù)脂基復(fù)合材料相比，它的耐熱、導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能好，對(duì)