工程材料市公開課一等獎省賽課獲獎?wù)n件

第四章工程材料概述有機高聚物無機非金屬材料功效高分子材料1工程材料第1頁4.1概述

什么是材料?世界萬物，凡于我有用者，皆謂之材料。材料是含有一定性能，能夠用來制作器件、構(gòu)件、工具、裝置等物品物質(zhì)。材料存在于我們周圍，與我們生活、我們生命息息相關(guān)。材料是人類文明、社會進步、科技發(fā)展物質(zhì)基礎(chǔ)。2工程材料第2頁材料是當(dāng)代文明三大支柱之一材料、能源、信息是當(dāng)代社會文明和國民經(jīng)濟三大支柱，是人類社會進步和科學(xué)技術(shù)發(fā)展物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)先導(dǎo)。

材料是全球新技術(shù)革命四大標(biāo)志之一（新材料技術(shù)、新能源技術(shù)、信息技術(shù)、生物技術(shù)）。3工程材料第3頁材料分類按內(nèi)部結(jié)協(xié)力及物理、化學(xué)性質(zhì)分：金屬材料無機非金屬材料有機高聚物應(yīng)用角度分：結(jié)構(gòu)材料：以強度、剛度、韌性、硬度、耐磨性等力學(xué)性能為特征材料功效材料：以聲、光、電、磁、熱等物理性能為特征材料4工程材料第4頁功效材料（1）利用物理性能：電、磁、光、熱、其它（2）利用物理性能轉(zhuǎn)換特征：光電子、壓敏、熱敏材料等（3）利用力學(xué)－物理性能轉(zhuǎn)換特征：壓電、力敏材料等（4）利用化學(xué)－物理性能轉(zhuǎn)換特征：氣敏、濕敏材料等5工程材料第5頁晶體學(xué)基礎(chǔ)6工程材料第6頁合金微觀結(jié)構(gòu)合金：以一個金屬元素為基礎(chǔ)，加入其它金屬或非金屬元素，經(jīng)過熔煉、燒結(jié)等方法制成含有金屬特征物質(zhì)。置換式間隙式7工程材料第7頁合金分類：當(dāng)金屬晶體結(jié)構(gòu)保持溶劑組元晶體結(jié)構(gòu)時，稱為固溶體。金屬間化合物：合金中各組分按一定百分比化合而成一個新晶體。機械混合物固溶體：置換固溶體和間隙固溶體有限固溶體和無限固溶體8工程材料第8頁

依據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶體結(jié)構(gòu)中位置，固溶體可分為置換固溶體和間隙固溶體。在置換固溶體中，溶質(zhì)原子位于溶劑晶體結(jié)構(gòu)晶格格點上；在間隙固溶體中，溶質(zhì)原子位于溶劑晶體結(jié)構(gòu)晶格間隙。溶質(zhì)原子在固溶體中分布能夠是隨機，即呈統(tǒng)計分布；也能夠是部分有序或完全有序，在完全有序固溶體中，異類原子趨于相鄰，這種結(jié)構(gòu)亦稱為超點陣或超結(jié)構(gòu)。9工程材料第9頁晶格畸變10工程材料第10頁金屬間化合物：熔點、硬度高，但塑性、韌性低。正常價化合物

符合化合物原子價規(guī)律，成份固定，可用化學(xué)式表示尺寸原因化合物由原子尺寸決定除了這三類由單一元素決定經(jīng)典金屬間化合物外，還有許多金屬間化合物，其結(jié)構(gòu)由兩個或多個原因決定，稱之為復(fù)雜化合物。11工程材料第11頁金屬材料

金屬材料是由化學(xué)元素周期表中金屬元素組成材料?？煞譃橛梢粋€金屬元素組成單質(zhì)（純金屬）；由兩種或兩種以上金屬元素或金屬與非金屬元素組成合金。合金又可分為固溶體和金屬間化合物。12工程材料第12頁

在103種元素中，除He,Ne,Ar等6種惰性元素和C、Si、N等16種非金屬元素外，其余81種為金屬元素。除Hg之外，單質(zhì)金屬在常溫下展現(xiàn)固體形態(tài)，外觀不透明，含有特殊金屬光澤及良好導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。在力學(xué)性質(zhì)方面，含有較高強度、剛度、延展性及耐沖擊性。合金是由兩種或兩種以上金屬元素，或金屬元素與非金屬元素熔合在一起形成含有金屬特征新物質(zhì)。合金性質(zhì)與組成合金各個相性質(zhì)相關(guān)，同時也與這些相在合金中數(shù)量、形狀及分布相關(guān)。13工程材料第13頁4.2有機高聚物高分子科學(xué)簡史高分子基本概念高分子材料分類高分子材料性能14工程材料第14頁天然高分子直接利用天然高分子化學(xué)改性天然橡膠硫化,硝化纖維合成等淀粉、蛋白質(zhì)、棉麻絲、竹、木等縮聚反應(yīng)，自由基、配位、離子聚合等高分子合成高分子時代4.2.1高分子科學(xué)簡史15工程材料第15頁高分子科學(xué)高分子化學(xué)研究聚合反應(yīng)和高分子化學(xué)反應(yīng)原理，選擇原料、確定路線、尋找催化劑、制訂合成工藝等。研究聚合物結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，為設(shè)計合成預(yù)定性能聚合物提供理論指導(dǎo)，是溝通合成與應(yīng)用橋梁。高分子物理高分子加工研究聚合物加工成型原理與工藝。高分子科學(xué)既是一門應(yīng)用學(xué)科，也是一門基礎(chǔ)學(xué)科，它是建立在有機化學(xué)、物理化學(xué)、生物化學(xué)、物理學(xué)和力學(xué)等學(xué)科基礎(chǔ)上逐步發(fā)展而成一門新興學(xué)科。16工程材料第16頁制約因素解決途徑（1）延長使用壽命：降低廢棄（2）回收利用：低性能應(yīng)用；降解（3）自然降解：自然分解回歸自然：高分子制品廢棄后對環(huán)境污染“在人類歷史上,幾乎沒有什么科學(xué)技術(shù)象高分子科學(xué)這么對人類社會做出如此巨大貢獻.”17工程材料第17頁高分子也叫聚合物分子或大分子，含有高相對分子量，其結(jié)構(gòu)必須是由多個重復(fù)單元所組成，而且這些重復(fù)單元實際上或概念上是由對應(yīng)小分子衍生而來。Polymermolecule,Macromolecule4.3.2高分子基本概念聚氯乙烯單體鏈節(jié)聚合度：反應(yīng)鏈長短和分子量大小18工程材料第18頁高分子小分子聚合反應(yīng)Polymerization單體能夠進行聚合反應(yīng)，并組成高分子基本結(jié)構(gòu)組成單元小分子。高分子化合物PolymericSubstanceMonomer或稱聚合物，是由許多單個高分子（聚合物分子）組成物質(zhì)。由鏈節(jié)相同但聚合度不一樣分子所組成混合物。聚合度：DegreeofPolymerization，DP單個聚合物分子所含單體單元數(shù)目。19工程材料第19頁鏈原子ChainAtoms組成高分子主鏈骨架單個原子。鏈單元ChainUnits由鏈原子及其取代基組成原子或原子團。聚丙烯聚乙二醇20工程材料第20頁來源天然高分子：自然界天然存在高分子。半天然高分子：經(jīng)化學(xué)改性后天然高分子。主鏈元素（鏈原子）組成碳鏈高分子：主鏈（鏈原子）完全由C原子組成。雜鏈高分子：鏈原子除C外，還含O,N,S等雜原子。元素有機高分子：鏈原子由Si,B,Al,O,N,S,P等雜原子組成。合成高分子：由單體聚合人工合成高分子。4.2.3高分子材料分類21工程材料第21頁性質(zhì)和用途塑料纖維橡膠涂料膠粘劑功效高分子以聚合物為基礎(chǔ)，加入（或不加）各種助劑和填料，經(jīng)加工形成塑性材料或剛性材料。含有可逆形變高彈性材料。纖細(xì)而柔軟絲狀物，長度最少為直徑100倍。涂布于物體表面能成堅韌薄膜、起裝飾和保護作用聚合物材料能經(jīng)過粘合方法將兩種以上物體連接在一起聚合物材料含有特殊功效與用途但用量不大精細(xì)高分子材料22工程材料第22頁線形高分子環(huán)狀高分子支化高分子梳形高分子梯形高分子網(wǎng)狀高分子星形高分子體型高分子高分子鏈形態(tài)23工程材料第23頁4.2.4高分子材料性能熱塑性與熱固性熱固性高分子：受熱變成永久固定形狀高聚物熱塑性高分子：即在熔融狀態(tài)下使它成型（塑化），冷卻后定型不過再加熱又成一個新形狀。24工程材料第24頁在區(qū)域I，溫度低，鏈段運動被凍結(jié)，只有側(cè)基、鏈節(jié)、鏈長、鍵角等局部運動，所以聚合物在外力作用下形變小，表現(xiàn)為質(zhì)硬而脆，這種力學(xué)狀態(tài)與無機玻璃相同，稱為玻璃態(tài)。玻璃態(tài)溫度形變IIIIII非晶態(tài)聚合物力學(xué)三態(tài)及其轉(zhuǎn)變25工程材料第25頁伴隨溫度升高，鏈段運動逐步“解凍”，形變逐步增大，當(dāng)溫度升高到某一程度時，鏈段運動得以充分發(fā)展，即使在較小外力作用下，也能快速產(chǎn)生很大形變。當(dāng)外力除去后，形變又可逐步恢復(fù)，稱高彈性，對應(yīng)力學(xué)狀態(tài)稱高彈態(tài)。溫度形變IIIIII玻璃態(tài)高彈態(tài)26工程材料第26頁

由玻璃態(tài)向高彈態(tài)發(fā)生突變區(qū)域叫玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)，玻璃態(tài)開始向高彈態(tài)轉(zhuǎn)變溫度稱為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（glasstemperature)，以Tg表示。形變溫度IIIIII玻璃態(tài)高彈態(tài)玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)Tg粘流態(tài)粘彈態(tài)轉(zhuǎn)變區(qū)Tf

當(dāng)溫度升到足夠高時，在外力作用下，因為鏈段運動猛烈，造成整個分子鏈質(zhì)量中心發(fā)生相對位移，聚合物完全變?yōu)檎承粤黧w，其形變不可逆，這種力學(xué)狀稱為粘流態(tài)。高彈態(tài)開始向粘流態(tài)轉(zhuǎn)變溫度稱為粘流溫度，以Tf表示。分子量越大，Tf越高。交聯(lián)聚合物因為分子鏈間有化學(xué)鍵連接，不能發(fā)生相對位移，不出現(xiàn)粘流態(tài)。玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)稱為聚合物力學(xué)三態(tài)。27工程材料第27頁4.2.5有機高分子材料（高聚物）高聚物是由一個或幾個簡單低分子化合物經(jīng)聚合而組成分子量很大化合物。高聚物種類繁多，性能各異，其分類方法各種多樣。按高分子材料起源分為天然高分子材料和合成高分子材料；按材料性能和用途可將高聚物分為橡膠、纖維、塑料和膠粘劑等。28工程材料第28頁橡膠特點是室溫彈性高，即使在很小外力作用下，也能產(chǎn)生很大形變（可達1000%），外力去除后，能快速恢復(fù)原狀。其彈性模量小，約105~104Pa。慣用橡膠有天然橡膠（異戊橡膠）、丁苯橡膠、順丁橡膠（聚丁二烯）、乙丙橡膠和硅橡膠等。29工程材料第29頁纖維彈性模量較大，約109~1010Pa。受力時，形變不超出百分之二十。纖維大分子沿軸向作規(guī)則排列，其長徑比較大，在較廣溫度范圍（-50~150℃）內(nèi)，機械性能改變不大。慣用合成纖維有尼龍、滌綸、晴綸和維尼綸等。30工程材料第30頁塑料彈性模量介于橡膠和纖維之間，約107~108Pa。溫度稍高些，受力形變可達百分之幾至幾百。有些塑料形變是可逆，有些塑料形變是永久。依據(jù)塑料受熱時行為不一樣，分為熱塑性和熱固性塑料兩類。前者受熱時能夠塑化和軟化，冷卻時則凝固成形，再加熱又可塑化軟化。聚乙烯、聚氯乙烯和聚碳酸酯等都屬于這類；后者在受熱時可塑化和軟化，并經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)，使之固定成型，但冷卻后不能再加熱軟化，酚醛塑料和脲醛塑料就屬這類。31工程材料第31頁膠粘劑是指在常溫下處于粘流態(tài)，當(dāng)受到外力作用時，會產(chǎn)生永久變形，外力撤去后又不能恢復(fù)原狀高聚物。有時把聚合后未加工成型高聚物稱為樹脂，以區(qū)分加工后塑料或纖維制品，如電木未固化前稱酚醛樹脂，滌綸纖維未紡織前稱滌綸樹脂。32工程材料第32頁4.3無機非金屬材料

無機非金屬材料是由硅酸鹽、鋁酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽、鍺酸鹽等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、鹵化物等原料經(jīng)一定工藝制備而成材料。是除金屬材料、高分子材料以外全部材料總稱。它與廣義陶瓷材料有等同含義。無機非金屬材料種類繁多，用途各異，當(dāng)前還沒有統(tǒng)一完善分類方法。普通將其分為傳統(tǒng)（普通）和新型（先進）無機非金屬材料兩大類。

33工程材料第33頁

傳統(tǒng)無機非金屬材料主要是指由SiO2及其硅酸鹽化合物為主要成份制成材料，包含陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。另外，搪瓷、磨料、鑄石（輝綠巖、玄武巖等）、碳素材料、非金屬礦（石棉、云母、大理石等）也屬于傳統(tǒng)無機非金屬材料。先進（或新型）無機非金屬材料是用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各種無機非金屬化合物經(jīng)特殊先進工藝制成材料。主要包含先進陶瓷、非晶態(tài)材料、人工晶體、無機涂層、無機纖維等。34工程材料第34頁陶瓷按其概念和用途不一樣，可分為兩大類，即普通陶瓷和特種陶瓷。普通陶瓷即傳統(tǒng)陶瓷，是指以粘土為主要原料與其它天然礦物原料經(jīng)過粉碎混練、成型、煅燒等過程而制成各種制品。包含日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、電瓷以及其它工業(yè)用陶瓷。特種陶瓷是用于各種當(dāng)代工業(yè)及尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域陶瓷制品。包含結(jié)構(gòu)陶瓷和功效陶瓷。結(jié)構(gòu)陶瓷主要用于耐磨損、高強度、耐高溫、耐熱沖擊、硬質(zhì)、高剛性、低膨脹、隔熱等場所。功效陶瓷主要包含電磁功效、光學(xué)功效、生物功效、核功效及其它功效陶瓷材料。常見高溫結(jié)構(gòu)陶瓷包含：高熔點氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物。傳統(tǒng)無機非金屬材料之一：陶瓷35工程材料第35頁傳統(tǒng)無機非金屬材料之二：玻璃玻璃是由熔體過冷所制得非晶態(tài)材料。依據(jù)其形成網(wǎng)絡(luò)組分不一樣可分為硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃等，其網(wǎng)絡(luò)形成劑分為SiO2、B2O3和P2O5。習(xí)慣上玻璃態(tài)材料可分為普通玻璃和特種玻璃兩大類。普通玻璃是指采取天然原料，能夠大規(guī)模生產(chǎn)玻璃。普通玻璃包含日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光學(xué)玻璃和玻璃纖維等。

36工程材料第36頁特種玻璃（亦稱為新型玻璃）是指采取精制、高純或新型原料，經(jīng)過新工藝在特殊條件下或嚴(yán)格控制形成過程制成一些含有特殊功效或特殊用途玻璃。特種玻璃包含SiO2含量在85%以上或55%以下硅酸鹽玻璃、非硅酸鹽氧化物玻璃（硼酸鹽、磷酸鹽、鍺酸鹽、碲酸鹽、鋁酸鹽及氧氮玻璃、氧碳玻璃等）、非氧化物玻璃（鹵化物、氮化物、硫化物、硫鹵化物、金屬玻璃等）以及光學(xué)纖維等。依據(jù)用途不一樣，特種玻璃分為防輻射玻璃、激光玻璃、生物玻璃、多孔玻璃、非線性光學(xué)玻璃和光纖玻璃等。37工程材料第37頁傳統(tǒng)無機非金屬材料之三：水泥水泥是指加入適量水后可成塑性漿體，既能在空氣中硬化又能在水中硬化，并能夠?qū)⑸?、石等材料牢靠地膠結(jié)在一起細(xì)粉狀水硬性材料。水泥種類很多，按其用途和性能可分為：通用水泥、專用水泥和特征水泥三大類；按其所含主要水硬性礦物，水泥又可分為硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、氟鋁酸鹽水泥以及以工業(yè)廢渣和地方材料為主要組分水泥。當(dāng)前水泥品種已達一百各種。38工程材料第38頁傳統(tǒng)無機非金屬材料之四：耐火材料耐火材料是指耐火度不低于1580℃無機非金屬材料。它是為高溫技術(shù)服務(wù)基礎(chǔ)材料。盡管各國對其定義不一樣，但基本含義是相同，即耐火材料是用作高溫窯爐等熱工設(shè)備結(jié)構(gòu)材料，以及用作工業(yè)高溫容器和部件材料，并能承受對應(yīng)物理化學(xué)改變及機械作用。大部分耐火材料是以天然礦石（如耐火粘土、硅石、菱鎂礦、白云母等）為原料制造。按應(yīng)用分為高爐用、水泥窯用、玻璃窯用、陶瓷窯用耐火材料等等。按礦物組成份為氧化硅質(zhì)、硅酸鋁質(zhì)、鎂質(zhì)、白云石質(zhì)、橄欖石質(zhì)、尖晶石質(zhì)、含碳質(zhì)、含鋯質(zhì)耐火材料及特殊耐火材料；39工程材料第39頁4.4功效高分子材料功效高分子材料在天然或合成高分子主鏈或支鏈上帶有顯示某種功效官能團，使高分子含有特殊功效，滿足光、電、磁、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等方面功效要求，這類高分子通稱為功效高分子如，離子交換樹脂，高吸水性樹脂，感光性高分子材料功效陶瓷材料壓電陶瓷，敏感陶瓷40工程材料第40頁功效高分子材料品種和分類功效高分子光敏高分子導(dǎo)電高分子高分子催化劑與試劑微生物降解高分子生物醫(yī)藥高分子高分子吸附劑高分子膜高吸水性樹脂交換型高分子感光樹脂光致變色高分子光導(dǎo)電高分子高分子半導(dǎo)體高分子導(dǎo)體超導(dǎo)高分子離子交換樹脂電子交換樹脂高分子藥品醫(yī)用高分子仿生高分子41工程材料第41頁感光性高分子感光性高分子是指在吸收了光能后，能在分子內(nèi)或分子間產(chǎn)生化學(xué)、物理改變一類功效高分子材料。而且這種改變發(fā)生后，材料將輸出其特有功效。從廣義上講，按其輸出功效，感光性高分子包含光導(dǎo)電材料、光電轉(zhuǎn)換材料、光能儲存材料、光統(tǒng)計材料、光致變色材料和光致抗蝕材料等。其中開發(fā)比較成熟并有實用價值感光性高分子材料主要是指光致抗蝕材料和光致誘蝕材料，產(chǎn)品包含光刻膠、光固化粘合劑、感光油墨、感光涂料等。42工程材料第42頁所謂光致抗蝕，是指高分子材料經(jīng)過光照后，分子結(jié)構(gòu)從線型可溶性轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)狀不可溶性，從而產(chǎn)生了對溶劑抗蝕能力。而光致誘蝕正相反，當(dāng)高分子材料受光照輻射后，感光部分發(fā)生光分解反應(yīng)，從而變?yōu)榭扇苄?。如?dāng)前廣泛使用預(yù)涂感光版，就是將感光材料樹脂預(yù)先涂