1、L/O/G/O高分子材料基础高分子材料基础任课教师：夏天2013年9月2总成绩总成绩 =出勤出勤+平时作业平时作业+期末考试期末考试10%20%70%邮箱：手机：185023949003目录目录材料科学概述材料科学概述 高分子材料的制备反应高分子材料的制备反应 高分子材料的结构与性能高分子材料的结构与性能 通用高分子材料通用高分子材料 4123功能高分子材料功能高分子材料 541.1材料与材料科学材料与材料科学具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质。由化学组成和组织结构决定的。化学物质化学物质或原料或原料工艺过程碳酸钠碳酸钠硅砂硅砂石灰石灰熔融熔融澄清澄清成型成型退火退火例：玻璃
2、的制备过程具有一定使用具有一定使用性能的材料性能的材料去除内应力去除气泡产品产品性能：性能：材料：材料：5 建筑材料、耐火材料建筑材料、耐火材料 研磨材料、电子材料研磨材料、电子材料 耐蚀材料、医用材料等耐蚀材料、医用材料等 结构材料结构材料 功能材料功能材料 气态气态 液态液态 固态固态1.1.2材料的分类材料的分类化学组成化学组成 金属材料金属材料 无机材料无机材料 有机材料有机材料状态状态作用作用使用领域使用领域单晶、多晶、非晶、复合材料单晶、多晶、非晶、复合材料主要利用其机械性能，用于机械主要利用其机械性能，用于机械制造、工程建筑、交通运输等制造、工程建筑、交通运输等主要利用其物理性质
3、和化学性质，主要利用其物理性质和化学性质，用于电子、激光、能源等领域用于电子、激光、能源等领域高分子材料复合材料61.1.2.1金属材料金属材料u 金属材料可以分为纯金属和合金两大类。u金属的键合无方向性，其结晶多为立方的最密堆砌结构，使得金属材料富于延展性、良好的导电性和导热性，以及较高的强度和耐冲击性。可锤炼可压延程度黑色金属黑色金属以铁以铁-碳为基的碳为基的合金，即铁基合合金，即铁基合金，如普通碳钢金，如普通碳钢、合金钢、不锈、合金钢、不锈钢及铸铁钢及铸铁金属工业金属工业有色金属有色金属除铁之外的纯金除铁之外的纯金属或以其为基的属或以其为基的合金，如铝合金、合金，如铝合金、镁合金、钛合金
4、镁合金、钛合金等等71.1.2.2无机材料无机材料u 定义：由无机化合物构成的材料，包括锗、硅、碳之类的单质所构成的材料。半导体硅酸盐是主要的无机材料，也是地壳上存在量最大的矿物。硅酸盐是主要的无机材料，也是地壳上存在量最大的矿物。以此为主要成分可以制备玻璃、陶瓷、水泥等材料。以此为主要成分可以制备玻璃、陶瓷、水泥等材料。u 特性：一般具有硬度大、脆性、强度高、抗化学腐蚀、对电和热的绝缘性好等特点。81.1.2.3高分子材料高分子材料u 高分子是由脂肪族和芳香族的C-C共价键为基本结构单元，重复叠加的分子量在一万以上的大型分子。用途与性质用途与性质天然高分子天然高分子合成高分子合成高分子主链结
5、构主链结构碳链高分子碳链高分子杂链高分子杂链高分子元素有机高分子元素有机高分子来源来源橡胶橡胶塑料塑料纤维纤维涂料涂料粘胶剂粘胶剂功能高分子功能高分子聚合物基复聚合物基复合材料合材料分类棉、麻、毛、丝棉、麻、毛、丝竹纤维竹纤维91.1.2.4复合材料复合材料u 定义：由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质，用适当的工艺方法组合起来，而得到的具有复合效应的多相固体材料。基体为主：塑料基复合材料、金属基复合材料基体为主：塑料基复合材料、金属基复合材料分散材料为主：玻纤增强复合材料等分散材料为主：玻纤增强复合材料等基体基体-分散材料并用：木材分散材料并用：木材-塑料复合材料等塑料复合材料等命名方法
6、命名方法纤维增强复合材料，如钢筋混凝土、轮胎、玻璃钢等纤维增强复合材料，如钢筋混凝土、轮胎、玻璃钢等强度高刚性好柔软延展性好高强度抗疲劳刚、强度/质量比大10复合效果结构复合材料功能复合材料聚合物基复合材料聚合物基复合材料金属基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料水泥基复合材料水泥基复合材料换能功能复合材料换能功能复合材料阻尼吸声功能复合材料阻尼吸声功能复合材料导电导磁工程复合材料导电导磁工程复合材料屏蔽功能复合材料屏蔽功能复合材料复合效果分类复合效果分类111.1.3材料科学的内容材料科学的内容化学角度化学角度研究材料的化学研究材料的化学组成、键性、结组成、键性、结构与性能的关
7、系构与性能的关系规律规律材料科学材料科学物理角度物理角度阐述材料的组成阐述材料的组成原子、分子及其原子、分子及其运动状态与各种运动状态与各种物性之间的关系物性之间的关系121.2材料结构简述材料结构简述亚微观结构亚微观结构借助光学显微镜、电子借助光学显微镜、电子显微镜可观察到的晶粒显微镜可观察到的晶粒、相的集合状态或材料、相的集合状态或材料内部的微区结构，尺寸内部的微区结构，尺寸约为约为10-710-4m微观结构微观结构包括原子及分子的结构包括原子及分子的结构以及原子和分子的排列以及原子和分子的排列结构结构宏观组织结构宏观组织结构用肉眼或放大镜能观用肉眼或放大镜能观察到的晶粒、相的集察到的晶粒
8、、相的集合状态合状态对聚合物而言，大分子本身的尺寸可达到亚微观的范围。131.2.1原子结构原子结构14弦理论（弦理论（string theorystring theory），即弦论，是理论物理的一个分支学科。弦），即弦论，是理论物理的一个分支学科。弦论的一个基本观点是，自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和论的一个基本观点是，自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的点状粒子，而是夸克之类的点状粒子，而是很小很小的线状的很小很小的线状的“弦弦”（包括有端点的（包括有端点的“开弦开弦”和圈状的和圈状的“闭弦闭弦”或闭合弦）。或闭合弦）。弦的不同振动和运动就产生弦的不同振动和运动就产生
9、出各种不同的基本粒子。弦论中的弦尺度非常小，但操控它们性质的出各种不同的基本粒子。弦论中的弦尺度非常小，但操控它们性质的基本原理预言，存在着几种尺度较大的薄膜状物体，后者被简称为基本原理预言，存在着几种尺度较大的薄膜状物体，后者被简称为“膜膜”。直观的说，。直观的说，我们所处的宇宙空间可能是我们所处的宇宙空间可能是9+19+1维时空中的维时空中的D3D3膜。膜。弦论是现在最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用力统一起来弦论是现在最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用力统一起来的理论。的理论。151.2.1量子力学角度描述电子运动量子力学角度描述电子运动u 在原子内，电子具有不连续的能级，每
10、个电子的能级和状态由四个量子数即主量子数、角量子数、磁量子数和自旋量子数决定。电子所处量子壳层角量子数l磁量子数ml若干能级分为u 自旋量子数ms决定电子的自旋方向，取值+1/2和-1/2电子排布主要遵从两个原理：(1)泡利不相容原理(2)能量最低原理161.2.2结合键结合键u 定义：原子结合成分子或固体的方式和结合力的大小。结合键化学键物理键离子键离子键共价键共价键金属键金属键偶极力偶极力诱导力诱导力色散力色散力主价键次价键氢键氢键无方向性、键能较大。NaCl/KBr结构稳定、熔点高、硬度大、膨胀系数小等具有方向性和饱和性。CO2/Cl2除高分子外，一般共价键化合物延展性差Fe/Cu等金属
11、材料。由于电子的自由运动，金属键具有无方向性，非极性。延展性好。分子间 作用力！171.2.3原子排列原子排列u 金属、陶瓷及高分子材料的一系列特性都和原子的排列密切相关。气体气体液体液体晶体晶体非晶态非晶态固体固体氩气氧气水蒸气玻璃冰铁松香沥青氖气区分原子排列与分子排列的无序!181.2.4非晶态结构非晶态结构u 原子排列近程有序而远程无序的结构成为非晶态结构或无定形结构。非晶态的形成主要取决于熔体粘度，粘度较大时冷却过程中非晶态的形成主要取决于熔体粘度，粘度较大时冷却过程中很难实现分子或离子长程有序的排列，因此可看成是粘滞性很很难实现分子或离子长程有序的排列，因此可看成是粘滞性很大的过冷液
12、体。大的过冷液体。非晶态固体宏观上表现为非晶态固体宏观上表现为各向同性各向同性，熔解时，熔解时无明显的熔点无明显的熔点，只是随温度的升高而逐渐软化，粘滞性减小，并逐渐过渡到液只是随温度的升高而逐渐软化，粘滞性减小，并逐渐过渡到液态。态。(玻璃化转变温度玻璃化转变温度Tg)塑性变形一般较大，导热率和热膨胀性都比较小。塑性变形一般较大，导热率和热膨胀性都比较小。191.2.5晶体结构晶体结构u 晶体是原子在三维空间呈周期性的无限有序排列的结构，这种周期性排列的最小单位是晶胞。晶胞形状及大小典型离子化合物晶胞CO2201.2.5.1阵点数阵点数阵点数阵点数计算时需考虑阵点由几个晶胞共享，即晶胞各质点
13、的占有率计算时需考虑阵点由几个晶胞共享，即晶胞各质点的占有率体心1面心1/2棱边1/4顶点1/8(a)(b)(c)Na=81/8+61/2=4Nb=81/8+1=2Nc=81/8=121NaClNaCl配位数配位数配位数是一个原子或离子相邻最配位数是一个原子或离子相邻最近的不同原子或离子的个数。近的不同原子或离子的个数。离子晶体中，指一个离子周围最离子晶体中，指一个离子周围最近的异电性离子的数目。近的异电性离子的数目。对于体心的Cl-离子而言，与其距离最近的Na+离子个数为面心的6个Cl-离子，因此配位数是6.1.2.5.2配位数配位数22致密度致密度指晶胞中原子本身所占的体积百分数，即晶胞中
14、所包含的原子体积与晶胞体积的值。指晶胞中原子本身所占的体积百分数，即晶胞中所包含的原子体积与晶胞体积的值。1.2.5.3致密度致密度每个晶胞的原子数*每个原子的体积晶胞体积致密度=a原子个数=2原子半径=晶胞体积V=a3致密度=34a33432()340.68aa体心立方231.2.5.4晶面和晶向晶面和晶向u 晶面：晶体中由原子组成的任一平面成为晶面。u 晶向：由原子组成的任一直线成为晶向。在不同的晶面和晶向上原子的排列各不相同，显示出不同的性质，称为晶体的各向异性。金属的变形就是沿着原子排列最紧密的方向和晶面发生的。241.2.5.5同素异构转变同素异构转变组成相同的材料可以具有不同的具体
15、材料，例如石墨和金刚石都属于碳，但因晶体结构不同而具有显著不同的性质。石墨层状晶体结构金刚石晶体结构u 改变温度或压力条件，可使固体从一种晶体结构转变为另一种晶体结构，这种现象称为同素异构转变。复杂晶体结构25石墨烯是构成下列碳同素异形体的基本单元：石墨，木炭，碳纳米管和富勒烯。完美的石墨烯是二维的，它只包括六边形(等角六边形);如果有五边形和七边形存在，则会构成石墨烯的缺陷。12个五角形石墨烯会共同形成富勒烯。第一：石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料，据测算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜（厚度约100 纳米），那么它将能承受大约两吨重物品的压力，而不至于断裂；第二：
16、石墨烯是世界上导电性最好的材料。261.2.5.6多晶结构多晶结构u 由许多取向不同的晶粒组成的晶体称为多晶体。多晶体的特点：多晶体的特点：各种性能不仅决定于构成它的晶粒，同时也与晶粒界面的性各种性能不仅决定于构成它的晶粒，同时也与晶粒界面的性质密切相关。质密切相关。多晶体中晶粒是混乱排列的，一般表现为各向同性。多晶体中晶粒是混乱排列的，一般表现为各向同性。271.2.6晶体的晶体的结构缺陷结构缺陷u 物质中的不均匀部分，例如微裂纹等，都可看做是结构缺陷。u 缺陷属于结构变化的一部分。密度导电性比热容介电损耗折射率塑性介电性脆性对材料的结构缺陷不敏感 敏感 结构结构缺陷缺陷点缺陷点缺陷线缺陷线
17、缺陷体缺陷体缺陷面缺陷面缺陷281.2.6.1点缺陷点缺陷u 在实际晶体中，原子或离子围绕其平衡位置作高频率的热振动，并且各原子或离子的振动能量时刻变化，即存在能量的起伏现象。获得较高能量的某些原子或离子可脱离原来的平衡位置而迁移到其他位置，从而产生各种类型的点缺陷，这也称为热缺陷。置换原子出现在原来的正常点阵上291.2.6.1点缺陷在材料中的作用点缺陷在材料中的作用u 点缺陷对材料的光、电性能及力学性能都有很大的影响。u 当点阵中存在空位或小的置换原子时，周围的原子就向着点缺陷靠拢，将周围原子之间的键拉长，因而产生一个拉应力场。u 通过点缺陷附近运动的位错遇到原子偏离平衡位置的点阵，要求施
18、加更高的应力才能迫使位错通过缺陷，因此提高了材料的强度。301.2.6.2线缺陷线缺陷u 线缺陷又称位错，是以一条线为中心的结构错乱。u 晶体中最简单的位错是刃型位错和螺形位错。存在中断的原子平面原子平面沿一根与原子平面相垂直的轴线盘旋上升311.2.6.3面缺陷面缺陷u 面缺陷又称二维缺陷，是原子或分子在一个交界面的两侧出现不同排列而形成的缺陷，如相界面、表面及晶界面。表面能物体表面层原子都有被拉物体表面层原子都有被拉向内部的趋势，如果把内向内部的趋势，如果把内部原子移到表面成为表面部原子移到表面成为表面层原子，须克服向内的拉层原子，须克服向内的拉力而做工，所消耗的功就力而做工，所消耗的功就
19、转变成表面层原子的位能。转变成表面层原子的位能。表面层原子一般比内部表面层原子一般比内部的原子具有过剩的能量，的原子具有过剩的能量，称为表面能。称为表面能。形成单位表面积所需的形成单位表面积所需的能量称为比表面能，它相能量称为比表面能，它相当于界面单位长度的力。当于界面单位长度的力。321.2.6.4体缺陷体缺陷u 体缺陷又称三维缺陷，一般指较宏观的结构缺陷，如孔洞、裂纹、沉淀相、包裹物等。在二维尺寸小，在另一维尺寸大，可被电镜观察到。在二维尺寸小，在另一维尺寸大，可被电镜观察到。线缺陷点缺陷面缺陷体缺陷在三维尺寸均很小，只在某些位置发生，只影响邻近几个原子。在三维尺寸均很小，只在某些位置发生
20、，只影响邻近几个原子。在三维尺寸较大，如镶嵌块，沉淀相，空洞，气泡等。在三维尺寸较大，如镶嵌块，沉淀相，空洞，气泡等。在一维尺寸小，在另二维尺寸大，可被光学显微镜观察到。在一维尺寸小，在另二维尺寸大，可被光学显微镜观察到。小结331.3材料的性能材料的性能性能特征性能功能性能固有的特性转换热学性能热学性能力学性能力学性能电学性能电学性能磁学性能磁学性能光学性能光学性能化学性能化学性能光光-热转换性能热转换性能热热-电转换性能电转换性能力力-电转换性能电转换性能光光-电转换性能电转换性能磁磁-光转换性能光转换性能电电-光转换性能光转换性能声声-光转换性能光转换性能顺磁性热容吸附介电性能反射弹性模
21、量红外技术激光讯号调制压力二极管压力二极管太阳能电池341.4.1材料工艺过程材料工艺过程u 材料工艺过程包括材料的制备工艺(化学反应)和加工工艺过程(物理过程)。制备工艺：聚合、缩聚等成型加工：压缩模塑、注射模塑、挤出、压延、铸塑、吹塑、混炼、纺丝等高分子材料工艺过程：铸造、焊接、压制、粉末冶金、热处理、冷加工等金属材料热力学热力学+动力学动力学u 热力学是解决过程进行的可能性、方向及限度。u 动力学是解决过程进行的速度，与过程进行的推动力和阻力有关。351.4.1.1热力学热力学-相变相变相相：物质系统中物理、化学性质完全相同，与其他部分具有明显分界面的：物质系统中物理、化学性质完全相同，
22、与其他部分具有明显分界面的均匀部分称为相。与固、液、气三态对应，物质有固相、液相、气相。均匀部分称为相。与固、液、气三态对应，物质有固相、液相、气相。相变相变：物质从一种相转变为另一种相的过程。：物质从一种相转变为另一种相的过程。特性相变特性相变与电子或原子的集体与电子或原子的集体特性发生变化有关。特性发生变化有关。相变相变结构相变结构相变与原子或分子的排列与原子或分子的排列发生变化有关，又分发生变化有关，又分为扩散型相变和非扩为扩散型相变和非扩散型相变。散型相变。相图相图：用几何：用几何(图解图解)的方式来描述处于平衡状态下的物质的成分、相和外的方式来描述处于平衡状态下的物质的成分、相和外界
23、条件的相互关系。界条件的相互关系。361.4.1.2动力学动力学动力学过程指过程进行的方式和途径，包括化学反应中的反应速率、结晶速率、蠕变、各种扩散过程等，与材料的内部结构有关。结晶速率结晶速率成核及晶粒生长成核及晶粒生长晶粒大小及分布晶粒大小及分布多晶材料的性能及结构多晶材料的性能及结构材料的品种材料的品种例：371.4.2材料工艺与材料结构及性能的关系材料工艺与材料结构及性能的关系低压法：高密度低压法：高密度高压法：低密度高压法：低密度轧制法：夹杂物和缺陷轧制法：夹杂物和缺陷铸造法：非金属质点铸造法：非金属质点聚乙烯聚乙烯铜棒铜棒三者相互依赖相互三者相互依赖相互影响，了解清楚三影响，了解清
24、楚三者间的关系是材料者间的关系是材料科学的关键问题科学的关键问题 工艺工艺 性能性能 结构结构381.5材料的强化机制材料的强化机制u 对于不同的材料，可通过不同的工艺和方法来提高材料的强度。塑料：与橡胶共混后可提高其冲击强度，加入填充剂及增强剂可提高其抗拉伸强度和硬度。塑料：与橡胶共混后可提高其冲击强度，加入填充剂及增强剂可提高其抗拉伸强度和硬度。金属材料的强化主要是提高屈服强度。金属材料的强化主要是提高屈服强度。材料开始塑性流动的应力。材料开始塑性流动的应力。金属材料的金属材料的强化途径强化途径尽可能地减少位错，尽可能地减少位错，使其接近于完整晶体使其接近于完整晶体有大量错位的前提下，有大
25、量错位的前提下，尽可能阻止位错运动以尽可能阻止位错运动以及一直位错源的活动及一直位错源的活动冷变形强化冷变形强化细晶强化细晶强化固溶强化固溶强化多相强化多相强化分散强化分散强化马氏体强化马氏体强化391.5.1冷变形强化冷变形强化 当金属材料用冷加工的方法进行变形时，由于在组织中产生了附加的位错，位错密度增加，位错之间的交互作用加剧，阻碍了位错的运动，因而产生应变硬化，强度提高。延展性延展性降低降低产生残产生残余应力余应力退火把热加工和冷加工结合把热加工和冷加工结合在一起，既可将材料加在一起，既可将材料加工成为有用的形状，又工成为有用的形状，又可提高强度。可提高强度。冷变形强化负面效应冷变形强
26、化负面效应401.5.2细晶强化细晶强化 晶界是阻碍位错运动的障碍。晶粒细化，晶界增大，再加上晶粒位向变化的影响，使金属材料的强度提高并能改善塑性和韧性。晶粒过细又会产生其他的不利影响。细晶强化大多是通过细晶强化大多是通过控制凝固过程（液体冷却至固态）控制凝固过程（液体冷却至固态）实现的。实现的。加入成核剂加入成核剂加入晶粒细化剂加入晶粒细化剂控制结晶温度控制结晶温度控制结晶时间控制结晶时间结晶动力学结晶动力学控制晶粒尺寸、控制晶粒尺寸、形状、数量形状、数量控制材料结构，控制材料结构，进而改变材料的进而改变材料的力学性能力学性能411.5.3固溶强化固溶强化 固溶强化的实质是在金属材料中引入点
27、缺陷，特别是加入置换原子间隙原子，扰乱原子在点阵中的排列，是位错的运动即滑移收到干扰，从而实现强化的目的。（凝固过程）固溶强化固溶强化提高强度提高强度抗蠕变能力抗蠕变能力保持到高温材料对固溶强化的响应取决于元素的类型，特别是原子尺寸的差别。421.5.4多相强化多相强化合金的强度比纯金属高，除了存在固溶强化效应之外，可能存在合金的强度比纯金属高，除了存在固溶强化效应之外，可能存在第二相或更多相的影响。第二相或更多相的影响。第二相第二相多相强化多相强化纯金属纯金属固溶体固溶体化合物化合物组成组成聚合型聚合型分散型分散型粒子粒子尺寸尺寸第二相粒子非常小，第二相粒子非常小，分散在连续的基体中分散在连
28、续的基体中沉淀强化沉淀强化弥散强化弥散强化基体：软、有延展性基体：软、有延展性分散相：硬、脆、不连续、分散相：硬、脆、不连续、颗粒小、数量多、球状颗粒小、数量多、球状最佳分散强化效应最佳分散强化效应431.5.5马氏体强化马氏体强化 马氏体强化是无扩散固态转变所形成的非稳态相，是由奥氏体淬火而成的，是钢铁材料强化的重要途径。钢中马氏体是碳原子过饱和的钢中马氏体是碳原子过饱和的a-Fe固溶体固溶体 马氏体中过饱和的碳原子具从马氏体中沉淀出碳化马氏体中过饱和的碳原子具从马氏体中沉淀出碳化物的强烈倾向，淬火过程中碳原子沉淀析出，会导物的强烈倾向，淬火过程中碳原子沉淀析出，会导致位错运动受阻而产生强化作用。致位错运动受阻而产生强化作用。低碳马氏体含有大量的位错。高碳马氏体中，亚微低碳马氏体含有大量的位错。高碳马氏体中，亚微结构主要由孪晶组成，使得马氏体的有效晶粒度减结构主要由孪晶组成，使得马氏体的有效晶粒度减小。二者所导致的强化作用为结构强化。小。二者所导致的强化作用为结构强化。固溶强化沉淀强化结构强化马氏体是以下三种作用的综合结果：马氏体是以下三种作用的综合结果：44再次熟悉材料的典型结构，分类回顾材料的基本物理性质掌握材料工艺-结构-性能之间的关系了解材料的强化机制小结小结L/O/G/OThank You!
