10第七章 非金属材料与新型材料(简介)

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来源、性能 结构和用途 三、 分类和命名 可以按照来源 性能 结构 用途 来源 性能、结构 用途等分类。 按高分子材料的不同来源可分为天然 天然高分子材料与合成 合成高分子 天然 合成 材料。按照高分子材料的性能和产品用途的不同，可分为塑料 塑料、 塑料 橡胶、纤维 高分子合金、粘合剂 涂料等。按照高分子材料 纤维、高分子合金 粘合剂及涂料 橡胶 纤维 高分子合金 粘合剂 涂料 的热行为及成型工艺特点分为热塑性 热塑性高分子材料和热固性 热固性高分 热塑性 热固性 子材料。按高分子的几何构型分为线型 线型高聚物、支链型 支链型高聚物 线型 支链型 和网体型 网体型高聚物。常用的高分子材料命名方法主要有两种： 网体型 一种是根据商品的来源或性质确定它的名称 根据商品的来源或性质确定它的名称，例如，电木、 根据商品的来源或性质确定它的名称 有机玻璃、维尼纶、塑料王等。这种命名方法的优点是简短、 通俗，但不能反映高分子化合物的分子结构和特性。 另一类是根据单体原料名称进行命名 根据单体原料名称进行命名，并在单体名称的前面 根据单体原料名称进行命名 加一个“聚”字，如由乙烯加聚反应生成的聚合物就叫聚乙烯。 由氯乙烯加聚反应生成的聚合物就叫聚氯乙烯，对于缩聚反应 和共聚反应生成的聚合物，在单体名称后面加“树脂”或“橡 胶”。许多聚合物化学名称的英文缩写简单易记，也被广泛使 4/18 用。
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3．胶粘剂 凡能把同种的或不同种的固体材料连接在一起的媒介物质称 ．
为胶粘剂(或粘合剂 为胶粘剂 或粘合剂)。胶粘剂可代替传统的铆接、焊接和螺纹联接等，使各 或粘合剂 种不同材质的零件或结构件牢固地连接在一起。 (1)胶粘剂的组成 当今的胶粘剂大都是采用合成高分子化合物作为主剂，配 胶粘剂的组成 合各种固化剂、增塑剂、稀释剂、填料以及其他助剂等配制而成。主剂也 主剂也 称为基料或粘料，是胶粘剂中的主要组分，对粘料的要求是对被粘合的固 称为基料或粘料 对粘料的要求是对被粘合的固 体物料表面有良好的粘附性和润湿性。用作粘料的材料有合成树脂、合成 体物料表面有良好的粘附性和润湿性 橡胶、天然高分子物质等，如热固性树脂、热塑性树脂、氯丁橡胶、淀粉、 蛋白质等。 固化剂是使低分子化合物或线型高分子化合物交联成网体型网状结构，成 固化剂 为不熔的坚固胶层的化学药剂。为了促进固化反应，有时加入促进剂以加 速固化反应速度或降低固化反应温度。热固性树脂一般需要固化剂才能固 化。 增塑剂和增韧剂 增韧剂可以增加胶层的柔韧性，提高胶层的抗冲击韧性，改善胶 增塑剂 增韧剂 粘剂的流动性。 填料可以改善胶粘剂的力学性能并降低胶粘剂的成本。 填料 特定的添加剂，如防老化，防霉变助剂等，改善胶粘剂某方面的性能。 特定的添加剂 （2）胶粘剂的选用 只有根据被粘合材质的性质选用正确的粘接剂和粘接工 ） 艺才能获得牢固的结合面。
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二、高聚物的合成
高聚物由一种或几种单体化合物聚合而成。聚合反应有两种类 型，加聚反应 缩聚反应 加聚反应和缩聚反应 加聚反应 缩聚反应。 1 加聚反应 由一种单体或几种单体聚合反应而形成高聚物的 反应。 由一种单体进行聚合反应，称为均聚反应，如聚乙烯由乙烯发 由一种单体进行聚合反应，称为均聚反应 生均聚而形成。 由两种或两种以上的单体聚合反应，称为共聚反应，如ABS塑 由两种或两种以上的单体聚合反应，称为共聚反应 料是由丙烯腈(A)、丁二烯 (B)、苯乙烯(S)三种单体发生共聚 反应而形成的共聚物。 2 缩聚反应 它也是由一种或几种单体之间发生的聚合反应， 但在生成高聚物的同时，还析出水、氨、醇等低分子物质，故 高聚物的结构单元与单体原料不完全相同。与加聚反应相类似， 由一种单体进行的缩聚反应称为均缩聚反应 均缩聚反应；由两种或两种以 均缩聚反应 上的单体进行的缩聚反应称为共缩聚反应 共缩聚反应。 共缩聚反应子链节在空间排列的几 、 何形状，分为线形 支链型 网体型 线形、支链型 网体型三种形状 线形 支链型和网体型 (图7—1)。线型和支链型，具有加热能变软、而 图 冷却能变硬的可逆的物理特性，称为“热塑性 热塑性”。 热塑性 经交联的三维网状(又称网体型结构)聚合物结构 稳定性很高，不易溶于溶剂，加热时不熔融，具 有良好的耐热性和强度，但其弹性差、塑性低、 脆性大，只能在形成网状结构之前进行一次成型， 不能重复使用。这种性质称为“热固性 热固性”。 热固性 2、聚集态 高聚物是由许多个大分子借分子间 、 作用力而聚集在一起的，分为晶态 晶态(分子链在空 晶态 间规则排列)、部分晶态 部分晶态(部分规则排列)和非晶 部分晶态 非晶 态(无规则排列，亦称玻璃态)三种形态，如图7-2 图 所示。通常线型 线型聚合物在一定条件下可以形成晶 晶 线型 态或部分晶态，而网体型 网体型聚合物为非晶态 非晶态。 态或部分晶态 网体型 非晶态 聚合物晶区所占比例定义为结晶度 结晶度。结晶度 结晶度 大，强度硬度刚度高，弹性韧性延伸率低。
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四、高分子材料的力学状态 聚合物在外力作用下发生形变的状态被称为高分子的力学状态，可用形变-温度 力学状态， 力学状态 曲线表征。非晶态和晶态聚合物有着不同的力学状态。 线型无定形非晶态聚合物在不同的温度下可以呈现出三种不同的力学状态， 即玻璃态、高弹态和粘流态。图7-3为非晶态聚合物在恒定应力作用下，形 变与温度的关系曲线。图中Tx称为脆性温度；Tg称为玻璃化温度；Tf称为粘 流化温度；Td称为分解温度。通常把Tg大于室温的高聚物称为塑料，把Tg 小于室温的高聚物称为橡胶，常温下处于粘流态的高聚物称为流动性树脂。 一些高聚物的玻璃化温度如表7-1。 对橡胶而言，要保持高弹性，Tg是工作温 度下限（耐寒性的标志），故选Tg低， Tf高 的材料，这样弹性的温度范围宽。如天然橡 胶Tg为-73 ℃，Tf为180-200 ℃；硅橡胶Tg为 -109 ℃ ， Tf为250℃， Tf- Tg差值大，硅 橡胶耐热耐寒更好。 塑料和纤维在玻璃态下使用， Tg是工作上 限（耐热标志），越高越好。同时作为塑料 应易于加工并很快成型，则Tf- Tg差值要小； 表7-1 线形无定形聚合物形变-温度曲线 因此，对成型Tf低好，对耐热性Tf高好。
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六、常用高分子材料
1．工程塑料 ．
塑料 是指以有机合成树脂为主要成分，添加多种起不同作用的添加剂，然 后经过加热塑化压制成形的产品。树脂是纯聚合物，塑料是以树脂为主的聚 合物制品。 塑料的组成—树脂+添加剂。为了对塑料进行改性而特意加入的物质称为 (1)塑料的组成 。 塑料添加剂。常用的添加剂有：填料、增塑剂、固化剂、稳定剂、润滑剂 ； 填料、 填料 增塑剂、固化剂、稳定剂、 其他有阻燃剂 着色剂 、发泡剂 抗静电剂 阻燃剂、着色剂 发泡剂 抗静电剂等，以满足使用性能的要求。 发泡剂、抗静电剂 阻燃剂 （2）塑料的分类 品种繁多，分类方法有多种。 按树脂受热后的变化分：热固性（一次成型不能回用）和热塑性（多次反 复加热使用）。 按树脂应用分类：有通用、工程、一般、特种塑料。 按树脂结构分类：有聚烯羟类、乙烯基类、聚酰氨类、聚脂类等。 工程塑料是指力学性能和热性能均较好，可在承受机械 （3）常用工程塑料 工程塑料 应力和较为苛刻的化学及物理环境下使用，并可作为工程结构件的塑料。 常用的热塑性和热固性工程塑料分别见表7-2与7-3。
第七章 非金属材料与新型材料简介
非金属材料主要包括高分子 非金属 高分子材料和陶瓷 陶瓷材料和复合 复合材料。 高分子 陶瓷 复合 高分子材料又称聚合物材料，主要成分为碳和氢。按其用途 高分子材料 和使用状态又分为橡胶 塑料 合成纤维 胶粘剂 橡胶、塑料 合成纤维和胶粘剂 橡胶 塑料、合成纤维 胶粘剂等四大类型。 陶瓷材料是指硅酸盐、金属与非金属元素的氧化物、氮化物、 陶瓷材料 碳化物等。主要包括普通陶瓷 特种陶瓷 金属陶瓷 普通陶瓷、特种陶瓷 金属陶瓷三大类。 普通陶瓷 特种陶瓷和金属陶瓷 复合材料是把两种或两种以上的不同性质或不同组织结构的 复合材料 材料以微观或宏观的形式组合在一起而构成的。它不仅保留了 组成材料各自的优点， 而且具有单一材料所没有的优异性能。 复合材料通常分为三大类：树脂基 树脂基复合材料、金属基 金属基复合材料 树脂基 金属基 和陶瓷基 陶瓷基复合材料。 陶瓷基
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2．橡胶 （1）组成 橡胶为小交联线型聚合物。突出特点是在很宽的温度 ．
(-40~150℃)范围内具有高弹性，所以又称高弹体，它还有较好的抗撕裂、耐 疲劳特性，在使用中经多次弯曲、拉伸、剪切和压缩不受损伤，并还具有不 透水、不透气、耐酸碱和绝缘等性能：橡胶材料在工程装备中被广泛应用于 密封、防腐蚀、防渗漏、减振、耐磨、绝缘及安全防护等方面。橡胶一般不 耐油、不耐溶剂、不耐强氧化性介质，而且容易老化。 合成橡胶由生胶（人工合成高分子聚合物，橡胶主成分）和配料（硫化剂、 增强填料、软化剂、增塑剂等，用于调节改善橡胶性能）组成 组成。 组成 天然橡胶和合成橡胶 （2）分类 按照原料来源橡胶可分为天然橡胶 合成橡胶 ） 天然橡胶 合成橡胶两大类。 按使用性能和环境又可分为通用橡胶 特种橡胶。 通用橡胶和特种橡胶 通用橡胶 特种橡胶 通用橡胶主要用于生产各种工业制品和日用杂品。 通用橡胶 特种橡胶是在特殊环境(高低温、酸碱、油类、辐射等)条件下使用的橡胶。 特种橡胶 （3）常用橡胶 常用橡胶的特性和用途如表7-4。通用橡胶产量最大、应用 ） 最广的是丁苯橡胶（SBR），由丁二烯单体和苯乙烯单体共聚而成。牌号为； 丁苯—XX（苯乙烯单体%），其百分数越大，硬度耐磨性越高，弹性耐寒性 下降。
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五、高聚物的性能特点
1、力学性能 高聚物与金属相比具有高弹性 粘弹性 、 高弹性和粘弹性 高弹性 粘弹性。弹性模量只有金 属的1／1000，而弹性变形量却超过金属的1000倍，这就是高聚物的高弹 高聚物的高弹 粘弹性指材料的弹性变形不仅与外力有关，还随着时间呈现出一定的 性。粘弹性 变化规律。这种弹性材料称为粘弹性材料；材料的粘弹性行为表现有蠕变、 蠕变、 蠕变 应力松弛、滞后及内耗 内耗等。蠕变 蠕变是指材料在一定温度和在恒定载荷的作用 应力松弛、滞后 内耗 蠕变 下，随着时间的延长形变逐渐增加的现象。 “应力松弛 应力松弛”指在恒温下， 应力松弛 保持高聚物的变形量不变，高聚物中的内应力随着时间的延长而逐渐衰减 的现象。滞后 滞后指高聚物受到交变载荷作用时，出现应变落后于应力变化的 滞后 应变落后于应力变化的 现象。滞后产生的原因是分子间的内摩擦。能量消耗于分子的内摩擦，转 。 化为热能，这部分热能称为内耗 内耗。内耗导致物体温度的升高，加速老化。 内耗 高聚物的比强度比金属高，硬度比金属低。 2、其他性能 良好的减磨性，电绝缘性和化学稳定性。 缺点是热导低，容易老化。（因内外因素作用，使其逐步发生物理化 学性质变化，物理力学性能变坏最后丧失使用价值的过程，称为老化 老化。） 老化 通常要采取抗老化措施（如表面防护、加防老剂、改性等）。