1、6.1 高分子材料6.2 陶瓷材料6.3 复合材料 第6章 非金属材料及复合材料机械机械工程材料工程材料（赵亚忠）赵亚忠）西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社汽车是由几万个零件组装而成，其中非金属材料约占20%。汽车的内饰件和外饰件几乎全部是高分子材料；汽车上还有玻璃材料的窗玻璃和灯玻璃、陶瓷材料的发动机叶片和高温轴承等非金属零件。近年来汽车上非金属材料保持着进一步扩大的趋势。高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。每个高分子化合物含有成千上万，甚至数十万个原子，它们的分子量一般都在103-106之间，分子长度为0.110um，具有一定的弹性和强度。如橡胶的分子量为10万左右，合成
2、纤维的分子量也在1万以上。高分子化合物是以共价键连接起来的长链状结构的大分子，通常称为大分子链。大分子链是由一种或几种结构相同的单元通过共价键结合，每种单元称为一个链节。大分子链之间以分子键结合。6.1 高分子材料聚乙烯聚四氟乙烯顺丁橡胶氯丁橡胶聚丙烯腈1 高分子化合物的合成 一个分子：n个分子：单体单体链节链节一种单体的加聚一种单体的加聚反应生成均聚物反应生成均聚物n 为为聚合度聚合度大分子链，高聚大分子链，高聚物，聚合物物，聚合物高分子化合物都是由一种或几种简单的低分子化合物重复连接而成。这种能形成高分子化合物的低分子化合物称为单体。由单体转变成高分子化合物的过程称为聚合。加聚反应是由一种
3、或多种单体相互加成而连接成线型聚合物的反应。例如：乙烯加聚成聚乙烯，此为均加聚，产物称为均聚物。A B SA B S共聚物共聚物:由两种或两种以上的单体经过加聚反应生成的高分子化合物。例：ABS塑料。单体为：A丙烯脂 B丁二烯 S苯乙烯如果把均聚物比做纯金属，那么共聚物就像在其中加入了适量的合金元素形成的各种合金。高分子共聚物可使两种或两种以上的单体链节交错连接，成为一种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样。缩聚反应是指由一种或几种单体相互作用生成大分子、并同时析出其它低分子物质(如水、氨、醇等)的反应。由两种以上单体进行的缩聚反应称为共缩聚反应，其产物为
4、共缩聚物，如由己二胺和己二酸通过共缩聚反应生成尼龙66的反应式如下：由一种单体进行的缩聚反应称为均缩聚反应，其产物为均缩聚物由氨基己酸均缩聚生成尼龙66(聚酰胺)的均缩聚反应式如下：2 主要术语及概念 组成大分子链的重复结构单元称为链节。链节的结构和成分代表高分子化合物的结构和成分。大分子链中链节的重复次数称为聚合度，用n表示。聚合度越大，大分子链越长。每一个大分子链的分子量(M)是链节的分子量(m)与聚合度(n)的乘积，即 M=mn。3 高分子化合物的分类按来源按来源天然聚合物：天然橡胶，纤维素，蛋白质等。人造聚合物：经人工改性的天然聚合物。例：硝酸纤维。合成聚合物：完全由低分子人工合成。如
5、聚氯乙烯。按反应类型按反应类型加聚物：如聚烯烃缩聚物：如酚醛树脂按分子的几何结构按分子的几何结构 线型高聚物；体型高聚物按工艺或性质分为按工艺或性质分为塑料：以树脂为主要成分的有机高分子固体材料。在一定的温度和压力下具有可塑性，能塑制成一定形状的制品，且在常温下能保持形状不变。橡胶：二烯类化合物的高聚物。室温下高弹性。纤维：由聚合物抽丝而成，轴向强度高。粘接剂:由聚合物作基料，加入添加剂构成。涂料:涂在物体表面上能干结成膜的有机高分子胶体的混合溶液。结构分类结构分类聚合物聚合物结结 构构聚集态聚集态结结 构构结晶结晶无定无定型态型态玻璃态玻璃态高弹高弹态态粘流态粘流态大分子大分子链结构链结构宏
6、观结构宏观结构微观结构微观结构线型支链型体型重复单元结构序列结构立体异构结构单元的化学组成C链最多，链最多，C、H、O、N等元素能组合成链状分子的结构单元。大分子链组成元素不同，性能差别很大。如聚乙烯中的H被F原子代替，即聚四氟乙烯，是耐王水腐蚀的塑料王。1 1 大分子链结构大分子链结构-微观结构微观结构氯乙烯高聚物的分子中，发现有头头、尾尾和头尾等不同的键接方式。共聚物中，键接的方式更为多样，可以是无规则、交替、镶嵌(嵌段)或接枝共聚等。大分子链的键接方式 22()CFCF四氟乙烯：四氟乙烯：22()CHCH聚乙烯：聚乙烯：大分子链的构象在保持键长和键角不变的情况下，每一个单键可绕相邻单键进
7、行任意旋转(又称内旋转)。单键内旋转使原子排列空间位置变化。这种由于单键内旋转所引起的主链原子占据不同空间位置所构成的分子链的各种形状，称为大分子链的构象。单键的内旋转使大分子链时而伸长，时而卷曲。这种能由构象变化获得不同卷曲程度的特性称为大分子链的柔顺性。具有柔顺性分子链的高聚物表现出好的弹性和韧性。C-CC-C链结构链结构只要保持键长和键角不变，单键可以内旋转；使大分子链具有不同的构象。单键容易内旋转时，柔顺性好，高分子表现出橡胶的性质。单键不容易内旋转时，高分子表现出塑料的性质。带支链是在线型大分子主链上又接出一些短的支链。这类结构高聚物的性能和加工都接近线型分子链高聚物。网状链是分子链
8、与分子链之间有许多链节相互交联在一起，形成网状的交联结构。网状链的大分子主链、支链之间交联成一体，链段以至整个大分子链活动困难，其弹性、塑性很低，表现出硬而脆的特点。2 2 大分子链结构大分子链结构宏观结构宏观结构伸直链和卷曲链是由许多链节组成的长链，属于线型分子链。这类结构高聚物的特点是弹性、塑性好，硬度低，是热塑性材料的典型结构。高分子化合物的聚集态结构：指高聚物内部高分子链之间的几何排列或堆砌结构。分子量越大，聚合度越高，大分子间的作用力越大，故强度、硬度增加。例：聚乙烯的分子量50万时，=15MPa，分子量100万时=40MPa。3 3 高分子聚焦态结构高分子聚焦态结构高聚物按其原子在
9、空间排列规则与否，可分为非晶态区域和晶态区域两类。相应的高聚物分为：结晶型、部分结晶型和非晶态三类高聚物。晶态晶态 部分晶态部分晶态 非晶态非晶态 晶态结构在高聚物中所占比例称为结晶度。结晶度越高，分子间作用力越强，因此高分子化合物的强度、硬度、刚度和熔点越高，耐热性和化学稳定性越好；而弹性、伸长率、冲击韧性则降低。影响结晶度的因素：分子链的结构：结构简单、分子链短，利于结晶。外力的影响：拉伸促进高聚物的结晶。例如：尼龙绳、包装带越拉越强。冷却速度：从熔融态缓慢冷却有利于结晶，快冷不利于结晶。温度：高聚物对应结晶速度最快的温度TK，在TK温度保温，结晶可充分进行。天然橡胶，TK=-24。不同结
10、晶度的聚乙烯的性能 线型非晶态聚合物在恒定应力下的变形-温度曲线非晶态聚合物的三态变化Tg称为玻璃化温度，是高聚物保持玻璃态的最高温度。温度较低时，高聚物处在玻璃态，此时分子热运动能量很小，分子链的单键内旋转无法进行，链段运动困难，故大分子链的构象难以改变。Tf大分子链开始运动的温度称为粘流温度。在TgTf 温度之间时，分子动能增加，通过单键的内旋转，链段将不断运动，大分子的构象不断改变，可使大分子链的一部分卷曲或伸展开来，这种状态称为高弹态。高弹态下的高聚物弹性模量小，但能产生很大的变形，去掉外力后，又可恢复原状。当温度高于粘流温度Tf时，分子活动能力更大，链段热运动加剧，大分子链之间能相对
11、滑动，大分子链能整体移动，高聚物成为一种粘态的熔体。粘流态是高聚物成形的工艺状态。当分子量小于一定值时，高弹区消失；升高温度，高聚物直接由玻璃态转变成粘流态。对于具有网状链的非晶态高聚物，因其链间运动受到很大束缚，以致粘流态消失，甚至只存在玻璃态。晶态高聚物呈部分结晶状态。结晶区不出现高弹态，当温度升到结晶区熔点温度(Tm)时，结晶区熔化。对于非结晶区，依旧存在着三态。这类高聚物中皮革态，即非晶态区处于高弹态，晶态区保持较高的强度和硬度。晶态高聚物的三态变化非晶态高聚物三态变化力学性能比强度高 高弹性 低硬度 物理性能 电绝缘性优良 耐热性差 导热性低、膨胀大 化学性能化学稳定性高，在酸、碱、
12、盐中耐蚀性较强。降解困难，污染环境。如聚四氟乙烯在沸腾的王水中仍很稳定，称“塑料王”。高分子材料老化高分子材料在长期使用或存放过程中，在热、光、辐射、氧和臭氧、酸碱、微生物等的作用下，使得聚合物内部结构发生变化，导致聚合物的性能随时间延长而逐渐恶化，直至丧失使用功能，这个过程称为老化。老化是不可逆的。如橡胶-龟裂、变软、变粘；塑料-脱色、失去光泽、开裂等。原因：分子链产生交联或支化分子链产生交联或支化，使其变硬、变脆；大分子链发生断链大分子链发生断链或裂解，或裂解，相对分子质量降低，使聚合物发软变粘，力学性能劣化。措施：表面防护、加入抗老化剂等。1 塑料合成树脂：是塑料的主要组分，决定塑料的基
13、本性能。如酚醛树脂、聚乙烯等。添加剂:改善塑料某些性能填 料:起增强作用增塑剂:提高树脂的可塑性和柔软性润滑剂:防止塑料加工时粘在模具上,使制品光亮固化剂:使热固性树脂由线型结构转变为体型结构稳定剂:防止塑料老化，延长其使用寿命着色剂:用于塑料制品着色 1 1）塑料的组成）塑料的组成按塑料受热后的性质分类：热塑性塑料：热熔性塑料。受热时软化并熔融，成为可流动的粘稠液体，冷却后便固化成型。这一过程可反复进行，而树脂的化学结构基本不变。聚合树脂，线型高分子链。加热融化、冷却硬化，可重复利用。热固性塑料：在一定温度下能软化或熔融，冷却后固化成型。一旦成型后便不能被溶剂溶解；再度加热，也不会再度熔融，
14、温度过高时只能分解而不能软化，只能塑制一次。树脂在加热变化的前后的性质完全不同，发生物理变化（塑化），化学变化（交联固化），这种变化是不可逆的。缩聚树脂，体型高分子链；加热发生化学反应，固化坚硬；不溶解，再加热时不再融化，不能循环使用。2 2）塑料的分类）塑料的分类3 3）塑料的特性）塑料的特性质轻、比强度高；化学稳定性好；优异的电绝缘性；减摩、耐磨性好；消声和吸振性好；成形加工性好。耐热性差，多数塑料使用温度0.1)，容易引起应力集中，而使强度降低；直径过小(0.01)，则近于固溶体结构，颗粒强化作用不大。增强颗粒直径一般在0.010.1范围内增强效果最好。陶瓷颗粒：A12O3颗粒、ZrO2
15、、WC、TiC、SiC 等 金属粉末：铝、铜、镍、锌等 塑料中加入木粉、石棉粉、云母粉，在橡胶中加入的炭黑、二氧化硅等 增强颗粒ZrO2粉碳黑TiC粉镍粉比强度和比刚度高减振性能好，避免构件工作时产生共振提高基体材料的使用温度和高温强度抗疲劳和破断安全性能好高温性能优良 强度韧性高，密度小，耐蚀性、绝缘性、绝热性好，不吸水，低的热膨胀系数、防磁。用于自重轻的受力构件及要求无磁性、绝缘、耐蚀、防水的零件，如航天、航空中的雷达罩、直升飞机的机身，火箭导弹发射筒壳体、轻型舰船的船身。1.纤维-树脂复合材料玻璃纤维的抗拉强度可达10003000MPa；热塑性塑料的抗拉强度为40-80MPa；增强后复合
16、材料的抗拉强度提高1倍以上，达90-180MPa。玻璃纤维增强热固性塑料的强度达100-340MPa。玻璃钢风机玻璃钢化粪池玻璃钢管道玻璃钢小艇1）纤维-树脂复合材料2）其它纤维树脂复合材料碳纤维-树脂复合材料具有更高的抗拉强度和弹性模量。SiC-树脂复合材料-固体火箭发动机喷管硼纤维-树脂复合材料用于飞机上碳纤维-树脂复合材料头盔风力发电机叶片球拍2 纤维-金属复合材料纤维增强金属复合材料由高强度、高模量的纤维与韧性好的金属基体组成。常用增强纤维为硼纤维、碳纤维、碳化硅纤维与氧化铝纤维；常用基体相为铝合金、镁合金、钛合金、高温合金。金属基复合材料发挥了金属与增强相的优点，具有高的比强度、比模
17、量、疲劳强度以及良好的耐磨、耐腐蚀性能。与树脂基复合材料相比，它的耐热、导热、导电性能好，对热冲击及表面缺陷不敏感。其缺点是生产工艺复杂，价格昂贵。导弹航天飞机螺旋浆叶片Al2O3纤维-Al-Li材料金相3 颗粒增强复合材料4 夹层结构复合材料氧化物、碳化物、氮化物以及石墨均可作增强颗粒；铝、镁、钛、铜、铁、钴等及其合金可作基体材料。增强颗粒的尺寸一般在3.5-10m，含量一般为15-20%和65%左右，视需要而定。夹层结构复合材料是由两层薄而强的面板，中间夹着一层轻而弱的芯子组成。在夹层结构中面板是承受负荷者，夹层结构的芯子起支撑面板和传递剪力的作用。双金属温度计双金属片夹层材料金相硬质合金条
