第六章 材料科學(xué)基礎(chǔ)

第六章材料科學(xué)基礎(chǔ)第1頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)高分子結(jié)構(gòu)的基本概念高分子材料（也稱高聚物）是由許多原子通過共價(jià)鍵結(jié)合而成的分子量很大的材料，分子量在104~107之間，甚至更大。但其結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，一般由一種或幾種低分子化合物通過共價(jià)鍵連接而成，就像一根鏈條一樣，也稱為大分子鏈。單體：能聚合生成大分子鏈的低分子有機(jī)化合物稱為單體，如聚乙烯由乙烯生成，乙烯即為聚乙烯的單體。第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子結(jié)構(gòu)的基本概念第2頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三–CH2–CH2–鏈節(jié)：組成高分子大分子鏈的結(jié)構(gòu)單元，其結(jié)構(gòu)與單體相同或相似。如聚乙烯的鏈節(jié)為：聚合度：大分子鏈中鏈節(jié)的重復(fù)次數(shù)n,反映了大分子鏈的長(zhǎng)短和相對(duì)分子質(zhì)量的大小。如聚乙烯可寫成相對(duì)分子質(zhì)量：鏈節(jié)分子質(zhì)量M0與聚合度n的乘積高分子化合物是由許多鏈節(jié)相同而聚合度不同的化合物組成的混合物，沒有固定的相對(duì)分子量，實(shí)際測(cè)得的相對(duì)分子量和聚合度都是指平均值；其分子量可在幾百至上百萬之間變動(dòng)。第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子結(jié)構(gòu)的基本概念第3頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三高分子化合物的分子量有一定分布，不是均一的，聚合物分子量的這種特性稱為“多分散性”。聚合物的分子量或聚合度到達(dá)某一數(shù)值后，才能顯示出適用的機(jī)械強(qiáng)度。高聚物的相對(duì)分子質(zhì)量和聚合度的大小對(duì)高聚物的聚集狀態(tài)和力學(xué)性能都有影響。分子量大，高聚物的強(qiáng)度、硬度高，塑性、韌性低，加工成型性差。如聚乙烯，隨分子量的提高，由液態(tài)軟蠟態(tài)脆性固體，當(dāng)相對(duì)分子質(zhì)量大于12000時(shí)才能成為塑料。第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子結(jié)構(gòu)的基本概念第4頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三命名：按化學(xué)組成來命名：聚氯乙烯、酚醛樹脂用商品名和習(xí)慣名：尼龍、有機(jī)玻璃、ABS以結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)系統(tǒng)命名：國際上所使用，較繁瑣，多用英文縮寫，如PMMA。第二節(jié)高分子的結(jié)構(gòu)高分子的結(jié)構(gòu)包括其大分子鏈結(jié)構(gòu)和大分子鏈的聚集狀態(tài)。一、大分子鏈的結(jié)構(gòu)1大分子鏈的組成第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子結(jié)構(gòu)的基本概念第5頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三通常由C、H、N、O、S、Cl、F等原子組成，有時(shí)可含有B、Si、Ti等原子。根據(jù)主鏈結(jié)構(gòu)分：⑴碳鏈高分子:主鏈上全部由碳原子組成，如聚乙烯、聚苯乙烯等，多數(shù)碳鏈高分子具有可塑性好、耐熱性差、易燃、易老化等特征。⑵雜鏈高分子：主鏈上除碳原子外，還有氧、氮、硫等其它原子，如聚酰胺、聚酯等；它們一般具有較高的強(qiáng)度和耐熱性，但易水解。⑶元素有機(jī)高分子：主鏈上沒有碳原子，而由硅、氧、氮、硼、磷等元素組成，側(cè)基為有機(jī)基團(tuán)，如有機(jī)硅橡膠、有機(jī)硅樹脂等。第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第6頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三無機(jī)高分子:主鏈和側(cè)基均無碳原子，如聚二硫化硅等。2大分子鏈間的作用力大分子鏈上原子間的作用力是共價(jià)鍵力—主價(jià)力。

大分子鏈間的作用力—次價(jià)力，主要為范德華力和氫鍵。次價(jià)力大小比主價(jià)力小得多，只為其1%~10%。但因分子鏈特別長(zhǎng)，所以總次價(jià)力常超過主價(jià)力，使高聚物受拉時(shí)不是分子鏈間先滑動(dòng)，而是分子鏈(共價(jià)鍵）先斷裂。第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第7頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三3大分子鏈的構(gòu)象高分子鏈能夠通過內(nèi)旋轉(zhuǎn)作用改變其構(gòu)象的性能稱為高分子鏈的柔順性。高分子在運(yùn)動(dòng)時(shí)C—C單鍵可以繞軸旋轉(zhuǎn)，稱為內(nèi)旋轉(zhuǎn)。每個(gè)鍵的空間位置受其鍵角的限制，旋轉(zhuǎn)時(shí)鍵長(zhǎng)和鍵角不變。由于單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的分子在空間的不同形態(tài)稱為構(gòu)象。⑴大分子鏈的柔順性絕大部分大分子鏈有強(qiáng)烈的蜷曲趨勢(shì)，易卷曲成不規(guī)則的線團(tuán)狀。一般內(nèi)旋轉(zhuǎn)愈容易，蜷曲的趨勢(shì)就愈第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第8頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三大分子鏈的柔順性與性能的關(guān)系：

柔順性好，高分子的塑性、彈性、韌性好，強(qiáng)度、硬度差。★影響柔順性的因素：①主鏈結(jié)構(gòu)由于分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)是導(dǎo)致分子鏈柔順性的根本原因，而高分子鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)又主要受其分子結(jié)構(gòu)的制約，因而分子鏈的柔順性與其分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。形成大分子鏈的原子間的共價(jià)鍵的鍵長(zhǎng)大、極性小、鍵能小，則柔順性好。大，柔順性越好。第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第9頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三當(dāng)主鏈中含C-O，C-N，Si-O鍵時(shí)，由于它們比C-C鍵更容易內(nèi)旋轉(zhuǎn)，柔順性好。Si-O-Si的鍵角也大于C-C鍵，因而其內(nèi)旋轉(zhuǎn)位阻更小，即使在低溫下也具有良好的柔順性

當(dāng)主鏈中含有芳環(huán)、共軛雙鍵時(shí)，則柔順性差。如聚乙炔、聚苯：第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第10頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三②取代基（其他原子團(tuán)或支鏈）：取代基的極性越大，極性基團(tuán)數(shù)目越多，相互作用越強(qiáng)，單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)越困難，分子鏈柔順性越差。如：第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第11頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三③溫度越高，分子內(nèi)旋越自由，柔順性越好。側(cè)基的體積越大，內(nèi)旋轉(zhuǎn)位阻越大，柔順性越差，如：⑵大分子鏈的形狀常見的幾何形狀有三種：①線型高分子：呈細(xì)長(zhǎng)線條狀，卷曲成不規(guī)則線團(tuán)第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第12頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三但受拉時(shí)伸展為直線,如聚乙烯、聚丙烯、聚酯等。分子鏈間沒有化學(xué)鍵，能相對(duì)移動(dòng)，可在一定溶劑中溶脹而溶解，加熱可以熔化，易加工、可反復(fù)使用，有良好彈性和塑性。②支鏈型高分子：在大分子主鏈上接有一些或長(zhǎng)或短的小支鏈，整個(gè)分子呈枝狀，如高壓聚乙烯?？扇芙庠谶m當(dāng)溶劑中，加熱也能熔融。支化對(duì)高聚物性能影響不利，支鏈越復(fù)雜和支化程度越高對(duì)性能影響越大。第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第13頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三新型支鏈：使高分子性能改變線形高分子（包括支鏈型）由于具有可溶可熔性，它們受熱軟化冷卻硬化，可反復(fù)加工使用，故稱之為熱塑性高分子材料。③體型高分子：為線型或支鏈形高分子以化學(xué)鍵交聯(lián)而成，又稱網(wǎng)狀或交聯(lián)高分子。第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第14頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三體型高分子材料具有不溶不熔性，不能在溶劑中溶解，也不能加熱熔融。其成形加工只能在形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之前進(jìn)行，一旦形成網(wǎng)狀就不能再改變其形狀，材料不能反復(fù)使用，稱之為熱固性高分子材料。二、高聚物的聚集狀態(tài)高聚物的聚集狀態(tài)指其大分子鏈的空間幾何排列，根據(jù)大分子幾何排列特點(diǎn)，聚集態(tài)結(jié)構(gòu)有無定形和晶態(tài)兩種。第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)該類材料具有較好的耐熱性、難溶性，尺寸穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，但彈性、塑性低，脆性大。第15頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三1無定形（非晶態(tài)）結(jié)構(gòu)眾多長(zhǎng)短不一的大分子鏈成雜亂無序的線團(tuán)狀聚集。2晶態(tài)結(jié)晶性高分子從熔融體冷卻到熔點(diǎn)與玻璃化溫度之間的任意溫度都能結(jié)晶，其過程如線圖所示：第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第16頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三根據(jù)結(jié)晶條件不同，晶態(tài)結(jié)構(gòu)高分子可分成單晶高分子和多晶高分子。（1）單晶高分子較易形成的形態(tài)為薄片狀和纖維狀。薄片形單晶（片晶）的制備：①從極稀溶液（質(zhì)量濃度小于0.01wt%)中緩慢結(jié)晶而成；②在較高的壓力下由熔體等溫結(jié)晶而成纖維狀晶可在聚合時(shí)結(jié)晶而成，也可由高分子被拉伸或受剪切力作用而形成。第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第17頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三（2）多晶高分子主要形式是球晶，為圓球狀晶體，尺寸較大，一般是由結(jié)晶性聚合物從濃溶液中析出或由熔體冷卻時(shí)形成的，是聚合物最常見的結(jié)晶形態(tài)。第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第18頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三★高分子結(jié)晶的特點(diǎn)：大部分高分子材料只能產(chǎn)生部分結(jié)晶，為晶態(tài)與非晶態(tài)共存。結(jié)晶度：結(jié)晶部分所占的質(zhì)量或體積百分?jǐn)?shù)，大多數(shù)結(jié)晶高分子的結(jié)晶度50%左右。影響高分子結(jié)晶度的因素：第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第19頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三分子鏈結(jié)構(gòu)：一般分子鏈結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單、對(duì)稱性越高、取代基越小、規(guī)整性越好、分子鏈相互作用強(qiáng)，越易結(jié)晶，結(jié)晶度大。分子量：對(duì)同一聚合物而言，在相同條件下，一般分子量低，結(jié)晶度大。應(yīng)力：應(yīng)力能使分子鏈沿外力方向有序排列，有利于結(jié)晶。雜質(zhì)：雜質(zhì)影響較復(fù)雜，有的可阻礙結(jié)晶的進(jìn)行，有的則能加速結(jié)晶。3結(jié)晶度與性能的關(guān)系結(jié)晶使高分子鏈規(guī)整排列，堆砌緊密，高分子第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第20頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三材料的密度、強(qiáng)度、硬度、耐熱性、耐溶劑性、耐化學(xué)腐蝕性等性能都隨結(jié)晶度的增大而提高；而彈性、韌性等則隨結(jié)晶度的增大而下降，如結(jié)晶會(huì)使橡膠失去彈性，發(fā)生爆裂。第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第21頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第22頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三4高分子的取向結(jié)構(gòu)高分子材料在外力作用下，分子鏈或鏈段沿力場(chǎng)方向有序排列，或在拉伸變形后形成微纖維結(jié)構(gòu)——取向非晶態(tài)高分子的取向晶態(tài)高分子的取向第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第23頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三取向強(qiáng)化：高分子拉伸后，沿取向方向的強(qiáng)度增高的現(xiàn)象。拉伸后的纖維，其強(qiáng)度可增加數(shù)倍。對(duì)材料進(jìn)行取向處理，可改善其性能。表6-5超拉伸聚乙烯纖維的性能與其他材料比較表6-6薄膜取向前后的性能比較第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第24頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三三、塑料分類（1）按熱性能分類熱塑性塑料：

加熱時(shí)軟化，可塑造成型，冷卻后復(fù)硬，可反復(fù)進(jìn)行。優(yōu)點(diǎn)：加工成型簡(jiǎn)便，機(jī)械性能較好，是塑料中性能較好的工程塑料。缺點(diǎn)：耐熱性和剛性較差。典型品種：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚等。熱固性塑料：初加熱時(shí)軟化，可塑造成型，固化后再加熱不再軟化，不溶于溶劑。優(yōu)點(diǎn)：耐熱性好，受壓不易變形。第25頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三缺點(diǎn)：機(jī)械性能不好典型品種：酚醛，環(huán)氧，氨基，不飽和聚酯，聚硅醚樹脂等。（2）按使用范圍分

通用塑料：

應(yīng)用范圍廣，生產(chǎn)量大，價(jià)廉如：聚氯乙烯，聚苯乙烯，聚烯烴，酚醛塑料和氨基塑料等。工程塑料：綜合工程性能（機(jī)械性能，耐熱耐寒性能，耐蝕性和絕緣性等）良好。如：聚甲醛，聚酰胺，聚碳酸酯，ABS等。第26頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三特殊塑料：可在較高溫度下工作（100～200℃）耐蝕，不燃等。如：聚四氟乙烯，聚三氟氯乙烯，有機(jī)硅樹脂，環(huán)氧樹脂。三、常見工程塑料1．聚烯烴

聚乙烯PE—高密度聚乙烯（低壓）性能：較剛硬，耐磨，耐蝕，絕緣性較好。應(yīng)用：塑料管，板，繩及承載不高的零件。低密度聚乙烯（高壓）性能：質(zhì)地柔軟。應(yīng)用：日用工業(yè)品及包覆電纜等。第27頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三聚丙烯PP—性能：剛性增大，強(qiáng)度、彈性模量、硬度高于低壓聚乙烯；重量輕，耐熱性良好(加熱至150℃不變形)，絕緣性優(yōu)越(抗高電)

應(yīng)用：機(jī)械零件如法蘭，齒輪等，化工容器、管道，泵殼等，電器外殼及紡織品。給水用HDPE管第28頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三2．聚氯乙烯（PVC）性能：剛度和強(qiáng)度比聚乙烯高。硬PVC比重小，抗拉強(qiáng)度較好，良好的耐水、耐油、耐化學(xué)用品浸蝕性能應(yīng)用：化工及紡織工業(yè)管道，排污塔等，電器絕緣材料及電線絕緣層。軟PVC

質(zhì)地柔軟，富有彈性。應(yīng)用：農(nóng)用、工用薄膜（不能包裝食品）第29頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三第30頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三3．ABS塑料—丙烯腈丁二烯苯乙烯三元共聚物性能：具有“硬，韌，剛”的混合特性（混合機(jī)械性能較好）；-40℃低溫仍有一定的機(jī)械強(qiáng)度。尺寸穩(wěn)定，耐熱和耐蝕性較好；容易電鍍，易于成型。用途：零件如齒輪，泵葉輪，軸承等，電機(jī)、儀表外殼，汽車零件及轎車車身等。第31頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三4．聚酰胺（PA）—尼龍性能：突出的耐磨性和自潤滑性能，韌性很好，強(qiáng)度較好