高分子第一章課件

高分子材料基礎(chǔ)任課教師：夏天2013年9月1總成績(jī)=出勤+平時(shí)作業(yè)+期末考試10%20%70%郵箱：手機(jī)：2目錄材料科學(xué)概述

高分子材料的制備反應(yīng)

高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能

通用高分子材料

4123功能高分子材料

53

建筑材料、耐火材料

研磨材料、電子材料耐蝕材料、醫(yī)用材料等

結(jié)構(gòu)材料

功能材料

氣態(tài)

液態(tài)固態(tài)1.1.2材料的分類(lèi)化學(xué)組成

金屬材料

無(wú)機(jī)材料有機(jī)材料狀態(tài)作用使用領(lǐng)域單晶、多晶、非晶、復(fù)合材料主要利用其機(jī)械性能，用于機(jī)械制造、工程建筑、交通運(yùn)輸?shù)戎饕闷湮锢硇再|(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，用于電子、激光、能源等領(lǐng)域高分子材料復(fù)合材料51.1.2.1金屬材料金屬材料可以分為純金屬和合金兩大類(lèi)。金屬的鍵合無(wú)方向性，其結(jié)晶多為立方的最密堆砌結(jié)構(gòu)，使得金屬材料富于延展性、良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，以及較高的強(qiáng)度和耐沖擊性?？慑N煉可壓延程度黑色金屬以鐵-碳為基的合金，即鐵基合金，如普通碳鋼、合金鋼、不銹鋼及鑄鐵金屬工業(yè)有色金屬除鐵之外的純金屬或以其為基的合金，如鋁合金、鎂合金、鈦合金等61.1.2.2無(wú)機(jī)材料定義：由無(wú)機(jī)化合物構(gòu)成的材料，包括鍺、硅、碳之類(lèi)的單質(zhì)所構(gòu)成的材料。半導(dǎo)體硅酸鹽是主要的無(wú)機(jī)材料，也是地殼上存在量最大的礦物。以此為主要成分可以制備玻璃、陶瓷、水泥等材料。特性：一般具有硬度大、脆性、強(qiáng)度高、抗化學(xué)腐蝕、對(duì)電和熱的絕緣性好等特點(diǎn)。71.1.2.4復(fù)合材料定義：由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)，用適當(dāng)?shù)墓に嚪椒ńM合起來(lái)，而得到的具有復(fù)合效應(yīng)的多相固體材料?；w為主：塑料基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料分散材料為主：玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料等基體-分散材料并用：木材-塑料復(fù)合材料等命名方法纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，如鋼筋混凝土、輪胎、玻璃鋼等強(qiáng)度高剛性好柔軟延展性好＋高強(qiáng)度抗疲勞剛、強(qiáng)度/質(zhì)量比大9復(fù)合效果結(jié)構(gòu)復(fù)合材料功能復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料水泥基復(fù)合材料換能功能復(fù)合材料阻尼吸聲功能復(fù)合材料導(dǎo)電導(dǎo)磁工程復(fù)合材料屏蔽功能復(fù)合材料復(fù)合效果分類(lèi)101.1.3材料科學(xué)的內(nèi)容化學(xué)角度研究材料的化學(xué)組成、鍵性、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系規(guī)律材料科學(xué)物理角度闡述材料的組成原子、分子及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與各種物性之間的關(guān)系111.2.1原子結(jié)構(gòu)13弦理論（stringtheory），即弦論，是理論物理的一個(gè)分支學(xué)科。弦論的一個(gè)基本觀點(diǎn)是，自然界的基本單元不是電子、光子、中微子和夸克之類(lèi)的點(diǎn)狀粒子，而是很小很小的線狀的“弦”（包括有端點(diǎn)的“開(kāi)弦”和圈狀的“閉弦”或閉合弦）。弦的不同振動(dòng)和運(yùn)動(dòng)就產(chǎn)生出各種不同的基本粒子。弦論中的弦尺度非常小，但操控它們性質(zhì)的基本原理預(yù)言，存在著幾種尺度較大的薄膜狀物體，后者被簡(jiǎn)稱(chēng)為“膜”。直觀的說(shuō)，我們所處的宇宙空間可能是9+1維時(shí)空中的D3膜。弦論是現(xiàn)在最有希望將自然界的基本粒子和四種相互作用力統(tǒng)一起來(lái)的理論。141.2.1量子力學(xué)角度描述電子運(yùn)動(dòng)在原子內(nèi)，電子具有不連續(xù)的能級(jí)，每個(gè)電子的能級(jí)和狀態(tài)由四個(gè)量子數(shù)即主量子數(shù)、角量子數(shù)、磁量子數(shù)和自旋量子數(shù)決定。電子所處量子殼層角量子數(shù)l磁量子數(shù)ml若干能級(jí)分為自旋量子數(shù)ms決定電子的自旋方向，取值+1/2和-1/2電子排布主要遵從兩個(gè)原理：(1)泡利不相容原理(2)能量最低原理151.2.3原子排列金屬、陶瓷及高分子材料的一系列特性都和原子的排列密切相關(guān)。氣體液體晶體非晶態(tài)固體氬氣氧氣水蒸氣玻璃冰鐵松香瀝青氖氣區(qū)分原子排列與分子排列的無(wú)序!171.2.4非晶態(tài)結(jié)構(gòu)原子排列近程有序而遠(yuǎn)程無(wú)序的結(jié)構(gòu)成為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)或無(wú)定形結(jié)構(gòu)。非晶態(tài)的形成主要取決于熔體粘度，粘度較大時(shí)冷卻過(guò)程中很難實(shí)現(xiàn)分子或離子長(zhǎng)程有序的排列，因此可看成是粘滯性很大的過(guò)冷液體。非晶態(tài)固體宏觀上表現(xiàn)為各向同性，熔解時(shí)無(wú)明顯的熔點(diǎn)，只是隨溫度的升高而逐漸軟化，粘滯性減小，并逐漸過(guò)渡到液態(tài)。(玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg)塑性變形一般較大，導(dǎo)熱率和熱膨脹性都比較小。181.2.5晶體結(jié)構(gòu)晶體是原子在三維空間呈周期性的無(wú)限有序排列的結(jié)構(gòu)，這種周期性排列的最小單位是晶胞。晶胞形狀及大小典型離子化合物晶胞CO219NaCl配位數(shù)配位數(shù)是一個(gè)原子或離子相鄰最近的不同原子或離子的個(gè)數(shù)。離子晶體中，指一個(gè)離子周?chē)罱漠愲娦噪x子的數(shù)目。對(duì)于體心的Cl-離子而言，與其距離最近的Na+離子個(gè)數(shù)為面心的6個(gè)Cl-離子，因此配位數(shù)是6.1.2.5.2配位數(shù)21致密度指晶胞中原子本身所占的體積百分?jǐn)?shù)，即晶胞中所包含的原子體積與晶胞體積的值。1.2.5.3致密度每個(gè)晶胞的原子數(shù)*每個(gè)原子的體積晶胞體積致密度=a原子個(gè)數(shù)=2原子半徑=晶胞體積V=a3致密度=體心立方221.2.5.4晶面和晶向晶面：晶體中由原子組成的任一平面成為晶面。晶向：由原子組成的任一直線成為晶向。在不同的晶面和晶向上原子的排列各不相同，顯示出不同的性質(zhì)，稱(chēng)為晶體的各向異性。金屬的變形就是沿著原子排列最緊密的方向和晶面發(fā)生的。23石墨烯是構(gòu)成下列碳同素異形體的基本單元：石墨，木炭，碳納米管和富勒烯。完美的石墨烯是二維的，它只包括六邊形(等角六邊形);如果有五邊形和七邊形存在，則會(huì)構(gòu)成石墨烯的缺陷。12個(gè)五角形石墨烯會(huì)共同形成富勒烯。第一：石墨烯是迄今為止世界上強(qiáng)度最大的材料，據(jù)測(cè)算如果用石墨烯制成厚度相當(dāng)于普通食品塑料包裝袋厚度的薄膜（厚度約100納米），那么它將能承受大約兩噸重物品的壓力，而不至于斷裂；第二：石墨烯是世界上導(dǎo)電性最好的材料。251.2.5.6多晶結(jié)構(gòu)由許多取向不同的晶粒組成的晶體稱(chēng)為多晶體。多晶體的特點(diǎn)：各種性能不僅決定于構(gòu)成它的晶粒，同時(shí)也與晶粒界面的性質(zhì)密切相關(guān)。多晶體中晶粒是混亂排列的，一般表現(xiàn)為各向同性。261.2.6晶體的結(jié)構(gòu)缺陷物質(zhì)中的不均勻部分，例如微裂紋等，都可看做是結(jié)構(gòu)缺陷。缺陷屬于結(jié)構(gòu)變化的一部分。密度導(dǎo)電性比熱容介電損耗折射率塑性介電性脆性對(duì)材料的結(jié)構(gòu)缺陷不敏感敏感結(jié)構(gòu)缺陷點(diǎn)缺陷線缺陷體缺陷面缺陷271.2.6.1點(diǎn)缺陷在材料中的作用點(diǎn)缺陷對(duì)材料的光、電性能及力學(xué)性能都有很大的影響。當(dāng)點(diǎn)陣中存在空位或小的置換原子時(shí)，周?chē)脑泳拖蛑c(diǎn)缺陷靠攏，將周?chē)又g的鍵拉長(zhǎng)，因而產(chǎn)生一個(gè)拉應(yīng)力場(chǎng)。通過(guò)點(diǎn)缺陷附近運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)遇到原子偏離平衡位置的點(diǎn)陣，要求施加更高的應(yīng)力才能迫使位錯(cuò)通過(guò)缺陷，因此提高了材料的強(qiáng)度。291.2.6.2線缺陷線缺陷又稱(chēng)位錯(cuò)，是以一條線為中心的結(jié)構(gòu)錯(cuò)亂。晶體中最簡(jiǎn)單的位錯(cuò)是刃型位錯(cuò)和螺形位錯(cuò)。存在中斷的原子平面原子平面沿一根與原子平面相垂直的軸線盤(pán)旋上升301.2.6.3面缺陷面缺陷又稱(chēng)二維缺陷，是原子或分子在一個(gè)交界面的兩側(cè)出現(xiàn)不同排列而形成的缺陷，如相界面、表面及晶界面。表面能物體表面層原子都有被拉向內(nèi)部的趨勢(shì)，如果把內(nèi)部原子移到表面成為表面層原子，須克服向內(nèi)的拉力而做工，所消耗的功就轉(zhuǎn)變成表面層原子的位能。表面層原子一般比內(nèi)部的原子具有過(guò)剩的能量，稱(chēng)為表面能。形成單位表面積所需的能量稱(chēng)為比表面能，它相當(dāng)于界面單位長(zhǎng)度的力。311.2.6.4體缺陷體缺陷又稱(chēng)三維缺陷，一般指較宏觀的結(jié)構(gòu)缺陷，如孔洞、裂紋、沉淀相、包裹物等。在二維尺寸小，在另一維尺寸大，可被電鏡觀察到。線缺陷點(diǎn)缺陷面缺陷體缺陷在三維尺寸均很小，只在某些位置發(fā)生，只影響鄰近幾個(gè)原子。在三維尺寸較大，如鑲嵌塊，沉淀相，空洞，氣泡等。在一維尺寸小，在另二維尺寸大，可被光學(xué)顯微鏡觀察到。小結(jié)321.3材料的性能性能特征性能功能性能固有的特性轉(zhuǎn)換熱學(xué)性能力學(xué)性能電學(xué)性能磁學(xué)性能光學(xué)性能化學(xué)性能光-熱轉(zhuǎn)換性能熱-電轉(zhuǎn)換性能力-電轉(zhuǎn)換性能光-電轉(zhuǎn)換性能磁-光轉(zhuǎn)換性能電-光轉(zhuǎn)換性能聲-光轉(zhuǎn)換性能順磁性熱容吸附介電性能反射彈性模量紅外技術(shù)激光訊號(hào)調(diào)制壓力二極管太陽(yáng)能電池331.4.1材料工藝過(guò)程材料工藝過(guò)程包括材料的制備工藝(化學(xué)反應(yīng))和加工工藝過(guò)程(物理過(guò)程)。制備工藝：聚合、縮聚等成型加工：壓縮模塑、注射模塑、擠出、壓延、鑄塑、吹塑、混煉、紡絲等高分子材料工藝過(guò)程：鑄造、焊接、壓制、粉末冶金、熱處理、冷加工等金屬材料熱力學(xué)+動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)是解決過(guò)程進(jìn)行的可能性、方向及限度。動(dòng)力學(xué)是解決過(guò)程進(jìn)行的速度，與過(guò)程進(jìn)行的推動(dòng)力和阻力有關(guān)。341.4.1.1熱力學(xué)-相變相：物質(zhì)系統(tǒng)中物理、化學(xué)性質(zhì)完全相同，與其他部分具有明顯分界面的均勻部分稱(chēng)為相。與固、液、氣三態(tài)對(duì)應(yīng)，物質(zhì)有固相、液相、氣相。相變：物質(zhì)從一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的過(guò)程。特性相變與電子或原子的集體特性發(fā)生變化有關(guān)。相變結(jié)構(gòu)相變與原子或分子的排列發(fā)生變化有關(guān)，又分為擴(kuò)散型相變和非擴(kuò)散型相變。相圖：用幾何(圖解)的方式來(lái)描述處于平衡狀態(tài)下的物質(zhì)的成分、相和外界條件的相互關(guān)系。351.4.1.2動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)過(guò)程指過(guò)程進(jìn)行的方式和途徑，包括化學(xué)反應(yīng)中的反應(yīng)速率、結(jié)晶速率、蠕變、各種擴(kuò)散過(guò)程等，與材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。結(jié)晶速率成核及晶粒生長(zhǎng)晶粒大小及分布多晶材料的性能及結(jié)構(gòu)材料的品種例：361.4.2材料工藝與材料結(jié)構(gòu)及性能的關(guān)系低壓法：高密度高壓法：低密度軋制法：夾雜物和缺陷鑄造法：非金屬質(zhì)點(diǎn)聚乙烯銅棒三者相互依賴(lài)相互影響，了解清楚三者間的關(guān)系是材料科學(xué)的關(guān)鍵問(wèn)題工藝

性能結(jié)構(gòu)371.5材料的強(qiáng)化機(jī)制對(duì)于不同的材料，可通過(guò)不同的工藝和方法來(lái)提高材料的強(qiáng)度。塑料：與橡膠共混后可提高其沖擊強(qiáng)度，加入填充劑及增強(qiáng)劑可提高其抗拉伸強(qiáng)度和硬度。金屬材料的強(qiáng)化主要是提高屈服強(qiáng)度。材料開(kāi)始塑性流動(dòng)的應(yīng)力。金屬材料的強(qiáng)化途徑盡可能地減少位錯(cuò)，使其接近于完整晶體有大量錯(cuò)位的前提下，盡可能阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)以及一直位錯(cuò)源的活動(dòng)冷變形強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化多相強(qiáng)化分散強(qiáng)化馬氏體強(qiáng)化381.5.1冷變形強(qiáng)化當(dāng)金屬材料用冷加工的方法進(jìn)行變形時(shí)，由于在組織中產(chǎn)生了附加的位錯(cuò)，位錯(cuò)密度增加，位錯(cuò)之間的交互作用加劇，阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，因而產(chǎn)生應(yīng)變硬化，強(qiáng)度提高。延展性降低產(chǎn)生殘余應(yīng)力退火把熱加工和冷加工結(jié)合在一起，既可將材料加工成為有用的形狀，又可提高強(qiáng)度。冷變形強(qiáng)化負(fù)面效應(yīng)391.5.2細(xì)晶強(qiáng)化晶界是阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙。晶粒細(xì)化，晶界增大，再加上晶粒位向變化的影響，使金屬材料的強(qiáng)度提高并能改善塑性和韌性。晶粒過(guò)細(xì)又會(huì)產(chǎn)生其他的不利影響。細(xì)晶強(qiáng)化大多是通過(guò)控制凝固過(guò)程（液體冷卻至固態(tài)）實(shí)現(xiàn)的。加入成核劑加入晶粒細(xì)化劑控制結(jié)晶溫度控制結(jié)晶時(shí)間結(jié)晶動(dòng)力學(xué)控制晶粒尺寸、形狀、數(shù)量控制材料結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變材料的力學(xué)性能401.5.3固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化的實(shí)質(zhì)是在金屬材料中引入點(diǎn)缺陷，特別是加入置換原子間隙原子，擾亂原子在點(diǎn)陣中的排列，是位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)即滑移收到干擾，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化的目的。（凝固過(guò)程）固溶強(qiáng)化提高強(qiáng)度抗蠕變能力保持到高溫材料對(duì)固溶強(qiáng)化的響應(yīng)取決于元素的類(lèi)型，特別是原子尺寸的差別。411.5.4多相強(qiáng)化合金的強(qiáng)度比純金屬高，除了存在固溶強(qiáng)化效應(yīng)之外，可能存在第二相或更多相的影響。第二相多相強(qiáng)化純金屬固溶體化合物組成聚合型分散型粒子尺寸第二相粒子非常小，分散在連續(xù)的基體中沉淀強(qiáng)化彌散強(qiáng)化基體：軟、有延展性分散相：硬、脆、不連續(xù)、顆粒小、數(shù)量多、球狀最佳分散強(qiáng)化效應(yīng)421.5.5馬氏體強(qiáng)化馬氏體強(qiáng)化是無(wú)擴(kuò)散固態(tài)轉(zhuǎn)變所形成的非穩(wěn)態(tài)相，是由奧氏體淬火而成的，是鋼鐵材料