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1、6 6 6 6 聚合物、无机与复合材料聚合物、无机与复合材料聚合物、无机与复合材料聚合物、无机与复合材料Polymer,Inorganic and Composite Polymer,Inorganic and Composite MaterialsMaterials AbstractAbstract【内容梗概内容梗概】l l 现代科学技术突飞猛进，材料、能源、信息技术日新月异，现代科学技术突飞猛进，材料、能源、信息技术日新月异，现代科学技术突飞猛进，材料、能源、信息技术日新月异，现代科学技术突飞猛进，材料、能源、信息技术日新月异，不但要求生产更多具有不但要求生产更多具有不但要求生产更多具有不
2、但要求生产更多具有高强度和特殊性能的金属材料高强度和特殊性能的金属材料高强度和特殊性能的金属材料高强度和特殊性能的金属材料，而且要，而且要，而且要，而且要求迅速发展更多、更好性能的非金属材料。至求迅速发展更多、更好性能的非金属材料。至求迅速发展更多、更好性能的非金属材料。至求迅速发展更多、更好性能的非金属材料。至20202020世纪世纪世纪世纪70707070年代年代年代年代中期，全世界聚合物材料和钢产量的体积就已经相等。当前，中期，全世界聚合物材料和钢产量的体积就已经相等。当前，中期，全世界聚合物材料和钢产量的体积就已经相等。当前，中期，全世界聚合物材料和钢产量的体积就已经相等。当前，就其产
3、量和应用领域而言，就其产量和应用领域而言，就其产量和应用领域而言，就其产量和应用领域而言，聚合物材料已经向传统的金属材料聚合物材料已经向传统的金属材料聚合物材料已经向传统的金属材料聚合物材料已经向传统的金属材料发出挑战。发出挑战。发出挑战。发出挑战。陶瓷材料特殊性能的研究和开发，使之作为最有希陶瓷材料特殊性能的研究和开发，使之作为最有希陶瓷材料特殊性能的研究和开发，使之作为最有希陶瓷材料特殊性能的研究和开发，使之作为最有希望的高温结构材料。望的高温结构材料。望的高温结构材料。望的高温结构材料。而而而而复合材料因能根据人们的要求来改善材复合材料因能根据人们的要求来改善材复合材料因能根据人们的要求
4、来改善材复合材料因能根据人们的要求来改善材料的性能，使各组成材料保持各自的最佳特性并相互取长补短，料的性能，使各组成材料保持各自的最佳特性并相互取长补短，料的性能，使各组成材料保持各自的最佳特性并相互取长补短，料的性能，使各组成材料保持各自的最佳特性并相互取长补短，从而最有效地利用材料，正成为一种新型的、最有发展前途的从而最有效地利用材料，正成为一种新型的、最有发展前途的从而最有效地利用材料，正成为一种新型的、最有发展前途的从而最有效地利用材料，正成为一种新型的、最有发展前途的材料。材料。材料。材料。Requirement for StudyingRequirement for Studyin
5、g【学习要求学习要求】l l1 1 了解聚合物的有关特性，认识几种常用了解聚合物的有关特性，认识几种常用工程塑料的性能特点与应用；工程塑料的性能特点与应用；l l概括了解工程陶瓷材料的使用性能特点，概括了解工程陶瓷材料的使用性能特点，熟悉常用的工程结构陶瓷材料的基本性能和应熟悉常用的工程结构陶瓷材料的基本性能和应用；用；l l建立对复合材料的性能、分类和应用的建立对复合材料的性能、分类和应用的一般概念。一般概念。Key and Difficult PointsKey and Difficult Points【学习重点与难点学习重点与难点】l现代化生产与科学技术的突飞猛进、日新月异，对现代化生产
6、与科学技术的突飞猛进、日新月异，对材料提出了更高、更迫切的要求，传统的金属材料材料提出了更高、更迫切的要求，传统的金属材料已远远不能满足，因而促进了聚合物、陶瓷与复合已远远不能满足，因而促进了聚合物、陶瓷与复合材料的日益广泛的应用与发展。本章简要介绍了有材料的日益广泛的应用与发展。本章简要介绍了有关非金属材料与复合材料的初步知识，以便为深入关非金属材料与复合材料的初步知识，以便为深入学习非金属材料与复合材料知识奠定基础。学习非金属材料与复合材料知识奠定基础。l本章学习的重点是常用工程塑料与工程结构陶瓷材本章学习的重点是常用工程塑料与工程结构陶瓷材料的特性与应用。可根据学时的多少，合理安排教料的
7、特性与应用。可根据学时的多少，合理安排教学学时。一般作为需要了解的常识内容。学学时。一般作为需要了解的常识内容。Suggests for StudyingSuggests for Studying【学习建议学习建议】l l1.1.随着现代科技的飞速发展，各类新型非金属随着现代科技的飞速发展，各类新型非金属材料的开发、应用日益广泛。因此，非金属材料材料的开发、应用日益广泛。因此，非金属材料基础知识的学习，迫在眉睫。基础知识的学习，迫在眉睫。然而由于教学学时然而由于教学学时有限，有限，本章的课堂教学在本章的课堂教学在2 23h3h（课程总学时（课程总学时363640h40h），），故本章知识的掌握
8、，主要应以自故本章知识的掌握，主要应以自学为主。学为主。l l2.2.本章的教学应突出以聚合物材料为重点，以本章的教学应突出以聚合物材料为重点，以点带面，学好本章内容。点带面，学好本章内容。Key questions and clues Key questions and clues【主要问题提示主要问题提示】l l1.1.1.1.您熟悉聚合物材料的分类、性能（特别是力学性能）与应您熟悉聚合物材料的分类、性能（特别是力学性能）与应您熟悉聚合物材料的分类、性能（特别是力学性能）与应您熟悉聚合物材料的分类、性能（特别是力学性能）与应用特点吗？用特点吗？用特点吗？用特点吗？l l2.2.2.2.您了
9、解常用工程塑料您了解常用工程塑料您了解常用工程塑料您了解常用工程塑料PEPEPEPE、PPPPPPPP、ABSABSABSABS、PAPAPAPA、PVCPVCPVCPVC、POMPOMPOMPOM、PTFEPTFEPTFEPTFE、PFPFPFPF、EPEPEPEP等的性能特点及主要应用是什么？等的性能特点及主要应用是什么？等的性能特点及主要应用是什么？等的性能特点及主要应用是什么？l l3.3.3.3.常用工程陶瓷材料的性能与应用特点是什么？常用工程陶瓷材料的性能与应用特点是什么？常用工程陶瓷材料的性能与应用特点是什么？常用工程陶瓷材料的性能与应用特点是什么？l l4.4.4.4.何谓金属
10、陶瓷？常用硬质合金的分类与牌号表示方法是什何谓金属陶瓷？常用硬质合金的分类与牌号表示方法是什何谓金属陶瓷？常用硬质合金的分类与牌号表示方法是什何谓金属陶瓷？常用硬质合金的分类与牌号表示方法是什么？么？么？么？l l5.5.5.5.您了解复合材料的性能、分类与应用特点吗？您了解复合材料的性能、分类与应用特点吗？您了解复合材料的性能、分类与应用特点吗？您了解复合材料的性能、分类与应用特点吗？l l6.6.6.6.何谓功能材料？您能举例说明功能聚合物与功能陶瓷材料何谓功能材料？您能举例说明功能聚合物与功能陶瓷材料何谓功能材料？您能举例说明功能聚合物与功能陶瓷材料何谓功能材料？您能举例说明功能聚合物与
11、功能陶瓷材料的特点及应用吗？的特点及应用吗？的特点及应用吗？的特点及应用吗？l l7.7.7.7.为什么说纳米材料是为什么说纳米材料是为什么说纳米材料是为什么说纳米材料是21212121世纪的新材料呢？世纪的新材料呢？世纪的新材料呢？世纪的新材料呢？l l8.8.8.8.何谓生物材料，试举例说明之。何谓生物材料，试举例说明之。何谓生物材料，试举例说明之。何谓生物材料，试举例说明之。本章教学内容与方法提示本章教学内容与方法提示l现代化生产与科学技术的迅猛发展，对材料提出了更高、更迫切的要求，现代化生产与科学技术的迅猛发展，对材料提出了更高、更迫切的要求，传统金属材料已远远不能满足需要了，因而促进
12、了聚合物、无机与复合材料传统金属材料已远远不能满足需要了，因而促进了聚合物、无机与复合材料日益广泛的应用与发展。本章的教学应把握如下几点：日益广泛的应用与发展。本章的教学应把握如下几点：l1.紧密联系材料科学基础知识（紧密联系材料科学基础知识（13章有关内容），以贯穿材料的章有关内容），以贯穿材料的”化学成化学成分（组成）分（组成）-组织结构组织结构性能性能应用应用”的主线索为纲，指导本章内容的学习。的主线索为纲，指导本章内容的学习。l2.以以“点点”（工程塑料、碳化物金属陶瓷及碳（工程塑料、碳化物金属陶瓷及碳/碳复合材料）带面，学好本碳复合材料）带面，学好本章内容。章内容。l3.尽可能联系现
13、实生活和生产实际应用中应用非金属材料的诸多实例，来尽可能联系现实生活和生产实际应用中应用非金属材料的诸多实例，来学习本章内容，切实打好非金属材料科学基础。学习本章内容，切实打好非金属材料科学基础。l4.在教学方法上，采用在教学方法上，采用“自学自学”教学法，即以自学为主，精讲（教学法，即以自学为主，精讲（1或或2h）为辅。为辅。6 6 6 6 聚合物、无机与复合材料聚合物、无机与复合材料聚合物、无机与复合材料聚合物、无机与复合材料Polymer,Inorganic and Composite MaterialsPolymer,Inorganic and Composite MaterialsP
14、olymer,Inorganic and Composite MaterialsPolymer,Inorganic and Composite MaterialsPolymer,Inorganic and Composite MaterialsPolymer,Inorganic and Composite Materialsl l6.1 6.1 聚合物材料聚合物材料 Polymer materialsPolymer materialsl l6.2 6.2 无机非金属材料无机非金属材料 Inorganic Inorganic nonmetallic materialsnonmetallic ma
15、terialsl l6.3 6.3 复合材料复合材料 Composite materialsComposite materialsl l6.4 6.4 新型工程材料简介新型工程材料简介 Introduction Introduction to new-type mechanical materialsto new-type mechanical materials6.1 6.1 6.1 6.1 聚合物材料聚合物材料聚合物材料聚合物材料Polymer materialsPolymer materialsPolymer materialsPolymer materialsl l6.1.1 6.1.
16、1 聚合物的特征聚合物的特征 Introduction of Introduction of polymers polymers l l6.1.2 6.1.2 工程塑料工程塑料 Engineering plastics Engineering plastics l l6.1.3 6.1.3 橡胶材料橡胶材料 Rubber materialsRubber materialsl l6.1.4 6.1.4 胶粘剂与纤维材料胶粘剂与纤维材料 Adhesives Adhesives and fiber materialsand fiber materials6.1.1 6.1.1 6.1.1 6.1.1
17、 聚合物的特征聚合物的特征聚合物的特征聚合物的特征 Introduction of polymersIntroduction of polymersIntroduction of polymersIntroduction of polymersl l1.1.聚合物的力学状态（流变行为）聚合物的力学状态（流变行为）l l2.2.聚合物的力学性能特点聚合物的力学性能特点l l3.3.聚合物的物理与化学性能特点聚合物的物理与化学性能特点l l4.4.聚合物的分类特征聚合物的分类特征l l5.5.聚合物的命名聚合物的命名1.1.聚合物的力学状态聚合物的力学状态l l（1 1）线型非晶态聚合物的三种力学
18、状态线型非晶态聚合物的三种力学状态l 线型非晶态高聚物（线型无定形高聚物）存在两种运动单元：一线型非晶态高聚物（线型无定形高聚物）存在两种运动单元：一是链段的运动；二是整个大分子链的运动。在不同的温度范围内，其运动是链段的运动；二是整个大分子链的运动。在不同的温度范围内，其运动单元的运动方式不同，因此就产生三种不同的力学聚集状态：单元的运动方式不同，因此就产生三种不同的力学聚集状态：玻璃态、高玻璃态、高弹态和粘流态。这三种力学状态可以相互转变：弹态和粘流态。这三种力学状态可以相互转变：l T Tg g T Tf fl 玻璃态玻璃态 高弹态高弹态 粘流态粘流态l由于这三种状态是在不同的温度范围内
19、由于这三种状态是在不同的温度范围内出现的，因而也称为热力学状态。三出现的，因而也称为热力学状态。三种力学状态的转变可用形变温度曲线种力学状态的转变可用形变温度曲线（或称热机械曲线）来描述，如下图（或称热机械曲线）来描述，如下图所示。所示。线型非晶态聚合物的热力学曲线线型非晶态聚合物的热力学曲线线型非晶态聚合物的热力学曲线线型非晶态聚合物的热力学曲线（1 1 1 1）线型非晶态聚合物的三种线型非晶态聚合物的三种线型非晶态聚合物的三种线型非晶态聚合物的三种力学状态力学状态力学状态力学状态l 玻璃态玻璃态(Tb(TbTg)Tg)在此温度范围内，曲线基本水平，形变量小，但弹性模量较高。此时在此温度范围
20、内，曲线基本水平，形变量小，但弹性模量较高。此时分子热运动能量很小，不足以克服分子之间相互作用力，因此整个大分子链的活动较困难，即分子热运动能量很小，不足以克服分子之间相互作用力，因此整个大分子链的活动较困难，即使是链段的内旋转运动也处于被冻结状态，这种状态称为玻璃态。使是链段的内旋转运动也处于被冻结状态，这种状态称为玻璃态。TgTg称为玻璃化温度，在称为玻璃化温度，在TgTg温温度以下，高聚物都处于玻璃态，在外力作用下只能发生少量弹性变形（度以下，高聚物都处于玻璃态，在外力作用下只能发生少量弹性变形（1%1%），处于玻璃态），处于玻璃态的聚合物具有较好力学强度，在这种状态下使用的材料是塑料和
21、纤维。的聚合物具有较好力学强度，在这种状态下使用的材料是塑料和纤维。l 高弹态（高弹态（高弹态（高弹态（TgTgTgTgTfTfTfTf）至此范围时，曲线急剧升高后又很快稳定而趋于水平，变形量很大而至此范围时，曲线急剧升高后又很快稳定而趋于水平，变形量很大而弹性模量弹性模量E E显著降低。此时，虽热运动的能量尚不足以克服分子间的作用力而使整个大分子链显著降低。此时，虽热运动的能量尚不足以克服分子间的作用力而使整个大分子链产生相对位移，但链段通过单键内旋已能较自由地旋转，可改变大分子的构象，把大分子链的产生相对位移，但链段通过单键内旋已能较自由地旋转，可改变大分子的构象，把大分子链的一部分卷曲或
22、伸展开来，这种状态称高弹态。表现出很大柔顺性，形变量可高达一部分卷曲或伸展开来，这种状态称高弹态。表现出很大柔顺性，形变量可高达100%100%1000%1000%。当去掉外力后，能可逆地恢复原状，且这种变形的回复不是瞬时完成的，而是随时间。当去掉外力后，能可逆地恢复原状，且这种变形的回复不是瞬时完成的，而是随时间逐渐变化。它是高聚物所罕见的独有性能，这种形变称为高弹形变。在室温下处于高弹态的聚逐渐变化。它是高聚物所罕见的独有性能，这种形变称为高弹形变。在室温下处于高弹态的聚合物可作为弹性材料使用。例如，经硫化处理的橡胶。合物可作为弹性材料使用。例如，经硫化处理的橡胶。l 粘流态粘流态(Tf(
23、TfTd)Td)在此温度范围，其形变迅速增长，弹性模量再次很快下降，高聚物开温度范围，其形变迅速增长，弹性模量再次很快下降，高聚物开始产生粘性流动，处于所谓粘流态，此时变形已变为不可逆。此阶段不仅链段能运动，且整个始产生粘性流动，处于所谓粘流态，此时变形已变为不可逆。此阶段不仅链段能运动，且整个大分子也能移动，即两种运动单元都能运动。此状态即为粘流态，大分子也能移动，即两种运动单元都能运动。此状态即为粘流态，TfTf称为粘流温度。处于粘流称为粘流温度。处于粘流态的线型高聚物，当受到外力作用时，不仅大分子链能伸缩，而且分子间也能相互滑移，产生态的线型高聚物，当受到外力作用时，不仅大分子链能伸缩，
24、而且分子间也能相互滑移，产生了永久形变。去掉外力后，不能恢复原状。这种形变称为粘流形变，它是不可逆形变。而了永久形变。去掉外力后，不能恢复原状。这种形变称为粘流形变，它是不可逆形变。而TdTd为为聚合物的分解温度，当温度达聚合物的分解温度，当温度达TdTd时，聚合物大分子链的化学键将被破坏而发生分解。聚合物处时，聚合物大分子链的化学键将被破坏而发生分解。聚合物处于粘流态时，可通过喷丝、吹塑、注射、挤压、模铸等方式制造各种形状的零件、型材、纤维于粘流态时，可通过喷丝、吹塑、注射、挤压、模铸等方式制造各种形状的零件、型材、纤维和薄膜等制品。和薄膜等制品。聚合物力学状态的特征及机理表聚合物力学状态的
25、特征及机理表（2 2）晶态聚合物的力学状态）晶态聚合物的力学状态l l完全晶态高聚物完全晶态高聚物完全晶态高聚物完全晶态高聚物 其分子链紧密敛集，致使内旋困难，妨碍链段运动，其分子链紧密敛集，致使内旋困难，妨碍链段运动，因此完全晶态高聚物在熔点以下变形很小，始终保持为强硬的晶体状态（硬结晶态）因此完全晶态高聚物在熔点以下变形很小，始终保持为强硬的晶体状态（硬结晶态），而不出现高弹态。，而不出现高弹态。完全晶态高聚物在熔点完全晶态高聚物在熔点TmTm以下无高弹性，不论分子量多么低，以下无高弹性，不论分子量多么低，也不会有流动。完全晶态高聚物的熔点是不随分子量变化的。当将其加热到也不会有流动。完全
26、晶态高聚物的熔点是不随分子量变化的。当将其加热到TmTm以以上时，可能出现高弹态，也可能是粘流态，这与分子量的高低有关。上时，可能出现高弹态，也可能是粘流态，这与分子量的高低有关。li.i.一般分子量的完全晶态高聚物一般分子量的完全晶态高聚物 当将其加热至当将其加热至TmTm时以上，不出现高弹态，而直时以上，不出现高弹态，而直接进入粘流态。接进入粘流态。如图中曲线如图中曲线1 1所示所示。因此。因此TmTm既是熔点，又是粘流温度。一般此高聚既是熔点，又是粘流温度。一般此高聚物在晶态（物在晶态（TgTgTmTm之间）下作塑料或纤维使用，而在粘流态（之间）下作塑料或纤维使用，而在粘流态（TmTm）
27、进行成形加）进行成形加工。由于其熔点工。由于其熔点TmTm高于无定形高聚物的玻璃化温度高于无定形高聚物的玻璃化温度TgTg，及其大分子间作用力比无，及其大分子间作用力比无定形高聚物高，所以这种塑料的使用温度范围通常都较大，并且强度也较高。定形高聚物高，所以这种塑料的使用温度范围通常都较大，并且强度也较高。lii 分子量较大的完全晶态高聚物分子量较大的完全晶态高聚物 当将其加热至当将其加热至TmTm以上时，分子转变为无规则以上时，分子转变为无规则排列，但因其分子量较大而使分子链非常长，还不能进行整个大分子的流动，而只排列，但因其分子量较大而使分子链非常长，还不能进行整个大分子的流动，而只能发生链
28、段的运动，因此也出现高弹态。当温度继续升至更高温度能发生链段的运动，因此也出现高弹态。当温度继续升至更高温度TfTf时，整个大分时，整个大分子流动，于是进入粘流态，子流动，于是进入粘流态，如图中曲线如图中曲线2 2 所示所示。因此，分子量高的完全晶态高聚物。因此，分子量高的完全晶态高聚物有三种状态：有三种状态：TmTm以下晶态，以下晶态，TmTmTfTf间高弹态，间高弹态，TfTf以上粘流态。由于以上粘流态。由于TfTf接近于接近于Td Td，为了保证良好的成形性能，晶态高聚物的分子量不应过高。，为了保证良好的成形性能，晶态高聚物的分子量不应过高。1-1-1-1-结晶；结晶；结晶；结晶；2-2
29、-2-2-轻度结晶轻度结晶轻度结晶轻度结晶（2 2）晶态聚合物的力学状态）晶态聚合物的力学状态l l非完全晶态高聚物非完全晶态高聚物非完全晶态高聚物非完全晶态高聚物（一般晶态聚合物）（一般晶态聚合物）（一般晶态聚合物）（一般晶态聚合物）l实际上，所有的晶态高聚物都是部分结晶（仅是结晶度较高而已），都含实际上，所有的晶态高聚物都是部分结晶（仅是结晶度较高而已），都含有相当部分的非晶区。非晶区有链段运动的可能，所以应存在有玻璃态、有相当部分的非晶区。非晶区有链段运动的可能，所以应存在有玻璃态、高弹态和粘流态。晶区则如上述，除了硬结晶态外，随分子量的大小不同，高弹态和粘流态。晶区则如上述，除了硬结晶
30、态外，随分子量的大小不同，有可能出现或不出现高弹态。因此，非完全晶态高聚物总的力学状态将随有可能出现或不出现高弹态。因此，非完全晶态高聚物总的力学状态将随分子量的不同而发生变化，分子量的不同而发生变化，如上图如上图 所示所示。l其特点是，它的高弹态可以区分为皮革态和橡胶态两种。在其特点是，它的高弹态可以区分为皮革态和橡胶态两种。在TgTgTmTm范围范围内晶区仍处于强硬的晶态，而非晶态区已转变为柔韧的高弹态，所以高聚内晶区仍处于强硬的晶态，而非晶态区已转变为柔韧的高弹态，所以高聚物在整体上表现为既硬且韧的力学状态。这种状态称为皮革态。处于这种物在整体上表现为既硬且韧的力学状态。这种状态称为皮革
31、态。处于这种状态的塑料为韧性塑料，状态的塑料为韧性塑料，TmTm为韧性塑料使用的上限温度。在为韧性塑料使用的上限温度。在TgTg以下的一般以下的一般晶态高聚物的性能刚硬，为硬性塑料，使用的上限温度为晶态高聚物的性能刚硬，为硬性塑料，使用的上限温度为TgTg。（3 3 3 3）体型高聚物的力学状态）体型高聚物的力学状态）体型高聚物的力学状态）体型高聚物的力学状态 l 体型高聚物因大分子链相互交联而呈空间立体结构，大分子间不能产生体型高聚物因大分子链相互交联而呈空间立体结构，大分子间不能产生相互滑动，链段运动也受到很大束缚，所以没有粘流态，当达到分解温度相互滑动，链段运动也受到很大束缚，所以没有粘
32、流态，当达到分解温度会分解变质。会分解变质。l 当轻度交联时，高聚物由于大分子间阻力小，有大量链段可进行热运动，当轻度交联时，高聚物由于大分子间阻力小，有大量链段可进行热运动，所以可有玻璃态和高弹态。但随交联密度的增大，交联点间距变短，链段所以可有玻璃态和高弹态。但随交联密度的增大，交联点间距变短，链段运动的阻力增大，运动的阻力增大，TgTg提高，高弹区缩小；当交联密度增至一定程度时，链提高，高弹区缩小；当交联密度增至一定程度时，链段运动消失，此时高聚物只有玻璃态一种状态。段运动消失，此时高聚物只有玻璃态一种状态。l 由于较高交联密度的体型高聚物没有力学状态的变化，所以在加热到很由于较高交联密
33、度的体型高聚物没有力学状态的变化，所以在加热到很高温度发生分解以前，都有较好的机械强度和较小的变形，作某些工程结高温度发生分解以前，都有较好的机械强度和较小的变形，作某些工程结构材料使用时，耐热性较好。构材料使用时，耐热性较好。l如图示出体型酚醛树脂中加入不同交联剂六亚甲基四胺时的温度如图示出体型酚醛树脂中加入不同交联剂六亚甲基四胺时的温度-形变曲形变曲线。线。图中图中1 1-3%-3%六亚甲基四胺；六亚甲基四胺；2 2-5%-5%六亚甲基四胺；六亚甲基四胺；3 3-11%-11%六亚甲基四胺。六亚甲基四胺。2.2.聚合物的力学性能特点聚合物的力学性能特点l 力学性能是决定工程材料使用范围的主
34、要性能指标力学性能是决定工程材料使用范围的主要性能指标力学性能是决定工程材料使用范围的主要性能指标力学性能是决定工程材料使用范围的主要性能指标之一。之一。之一。之一。l l（1 1 1 1）硬度硬度硬度硬度 l l（2 2 2 2）聚合物的断裂与强度）聚合物的断裂与强度）聚合物的断裂与强度）聚合物的断裂与强度l l（3 3 3 3）高聚物的冲击韧度高聚物的冲击韧度高聚物的冲击韧度高聚物的冲击韧度l l（4 4 4 4）疲劳强度）疲劳强度）疲劳强度）疲劳强度l l（5 5 5 5）摩擦、磨损性能）摩擦、磨损性能）摩擦、磨损性能）摩擦、磨损性能l l（6 6 6 6）粘弹性）粘弹性）粘弹性）粘弹性
35、 （1 1）硬度硬度l 测试工程塑料硬度的方法，通常有以下三种：测试工程塑料硬度的方法，通常有以下三种：l l布氏硬度布氏硬度布氏硬度布氏硬度 布氏硬度常用布氏硬度常用HBW HBW 表示，常用于硬质塑料的硬度测定。表示，常用于硬质塑料的硬度测定。l l洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度 洛氏硬度可用于弹性体到硬塑料的硬度测定。软质热塑洛氏硬度可用于弹性体到硬塑料的硬度测定。软质热塑性塑料大多用性塑料大多用R R，L L标尺，硬质热塑性塑料和热固性塑料常用标尺，硬质热塑性塑料和热固性塑料常用MM标尺。标尺。l肖氏硬度肖氏硬度 以符号以符号HSHS（简略为（简略为H H）表示。肖氏硬度计有三种类型
36、，）表示。肖氏硬度计有三种类型，即型，型和型。型适用于软质塑料，、型适用于半硬质或硬即型，型和型。型适用于软质塑料，、型适用于半硬质或硬质塑料。在一般情况下，用型测定塑料硬度值超过质塑料。在一般情况下，用型测定塑料硬度值超过9595时则改用型；时则改用型；当型硬度值超过当型硬度值超过9595后，则用布氏或洛氏硬度方法测定。后，则用布氏或洛氏硬度方法测定。l 工程塑料的硬度工程塑料的硬度随品种不同而异，热塑性塑料中如尼龙为洛氏硬度随品种不同而异，热塑性塑料中如尼龙为洛氏硬度 110110118 HRR 118 HRR；热固性塑料中，以木粉填充的酚醛压缩粉布氏硬度；热固性塑料中，以木粉填充的酚醛压
37、缩粉布氏硬度30HBS30HBS；玻璃纤维增强塑料的洛氏硬度；玻璃纤维增强塑料的洛氏硬度 105 105120 HRM 120 HRM。（2 2）聚合物的断裂与强度）聚合物的断裂与强度l l无定性高聚物的拉伸行为无定性高聚物的拉伸行为无定性高聚物的拉伸行为无定性高聚物的拉伸行为 常用无定性聚合常用无定性聚合物的应力（物的应力（）应变（）应变（）曲线大致可归纳为如右图所示的）曲线大致可归纳为如右图所示的5 5种类型。种类型。l i.i.硬而脆的高聚物硬而脆的高聚物如聚苯乙烯、酚醛树脂等热固性塑料如聚苯乙烯、酚醛树脂等热固性塑料如图中曲线如图中曲线a a 所示。所示。其其主要是弹性变形阶段，没有发
38、生明显屈服，具有高的弹性模量和高的抗拉强度，在主要是弹性变形阶段，没有发生明显屈服，具有高的弹性模量和高的抗拉强度，在小的伸长率小的伸长率 （2 2）下就会发生明显的脆性断裂。）下就会发生明显的脆性断裂。lii.ii.硬而强的高聚物硬而强的高聚物 增强环氧塑料、有机玻璃、硬聚氯乙烯韧性聚苯乙烯塑料等增强环氧塑料、有机玻璃、硬聚氯乙烯韧性聚苯乙烯塑料等如图中曲线如图中曲线b b 所示所示。此类高聚物具有较高的弹性模量和较高的抗拉强度，有小量的。此类高聚物具有较高的弹性模量和较高的抗拉强度，有小量的伸长率伸长率2 2，进行脆性断裂，但局部断面有流动痕迹。，进行脆性断裂，但局部断面有流动痕迹。lii
39、i.iii.强而韧的高聚物强而韧的高聚物 软软PVCPVC、PCPC、PAPA等等如曲线如曲线c c 所示。所示。其弹性模量和强度高，其弹性模量和强度高，伸长率较大（伸长率较大（100%100%），多发生韧性断裂。在屈服点之前试样的变形主要是由于），多发生韧性断裂。在屈服点之前试样的变形主要是由于大分子键角的改变和原子间距离改变的结果，大分子键角的改变和原子间距离改变的结果，为弹性变形。而当外力达屈服，为弹性变形。而当外力达屈服应力时，材料内部大分子的链段开始运动，使无定形区的蜷曲大分子沿拉伸方向定应力时，材料内部大分子的链段开始运动，使无定形区的蜷曲大分子沿拉伸方向定向排列，结晶区也产生再结
40、晶，大分子间作用力迅速增加，提高了塑料的机械强度。向排列，结晶区也产生再结晶，大分子间作用力迅速增加，提高了塑料的机械强度。liv.iv.柔而韧的高聚物柔而韧的高聚物 加增塑剂的聚氯乙烯，聚四氟乙烯、各种橡胶等加增塑剂的聚氯乙烯，聚四氟乙烯、各种橡胶等如图中曲线如图中曲线d d。其。其弹性模量和屈服点低，伸长率约弹性模量和屈服点低，伸长率约252510001000，抗拉强度较高，不一定进行，抗拉强度较高，不一定进行韧性断裂。拉伸时分子链趋于定向分布，出现结晶化细颈，多发生脆性断裂。韧性断裂。拉伸时分子链趋于定向分布，出现结晶化细颈，多发生脆性断裂。lV.V.软而弱的高聚物软而弱的高聚物 未硫化
41、的天然橡胶等未硫化的天然橡胶等如图中曲线如图中曲线e e所示。所示。其弹性模量和强度都其弹性模量和强度都很低，但有一定的伸长率，发生完全的塑性断裂。很低，但有一定的伸长率，发生完全的塑性断裂。（2 2）聚合物的断裂与强度）聚合物的断裂与强度“细颈细颈”。第二阶段细颈部分不断扩展，直至整个试样全变细为止。这时应力几乎不。第二阶段细颈部分不断扩展，直至整个试样全变细为止。这时应力几乎不变而应变不断增加。第三阶段是成细颈后的试样再被均匀地拉伸直至变而应变不断增加。第三阶段是成细颈后的试样再被均匀地拉伸直至C C（X X）点而断裂。）点而断裂。结晶高聚物的拉伸应力结晶高聚物的拉伸应力-应变曲线与无定性
42、高聚物的拉伸情况有许多相似之处。本质的应变曲线与无定性高聚物的拉伸情况有许多相似之处。本质的差别在于晶态高聚物在拉伸过程中有分子聚集态结构的变化，包含有结晶的破坏、取差别在于晶态高聚物在拉伸过程中有分子聚集态结构的变化，包含有结晶的破坏、取向和再结晶过程。而无定性高聚物只发生分子链的取向，不发生相变。向和再结晶过程。而无定性高聚物只发生分子链的取向，不发生相变。结晶高聚物的拉伸行为结晶高聚物的拉伸行为结晶高聚物的拉伸行为结晶高聚物的拉伸行为 其拉伸应力其拉伸应力-应变曲线如图所示。可看出，整个曲线可分为三应变曲线如图所示。可看出，整个曲线可分为三段。第段。第1 1阶段应力随应变线形增加，到阶段
43、应力随应变线形增加，到B B（Y Y）点）点 后试样出现后试样出现高聚物的强度和弹性高聚物的强度和弹性高聚物的强度和弹性高聚物的强度和弹性模量模量模量模量 其其 b b 、E E 均较低。均较低。如如4545钢的钢的 b b 约约600MPa600MPa、高聚、高聚物仅为其物仅为其1 16 61 112 12，l l各种材料的弹性模量对比表各种材料的弹性模量对比表各种材料的弹性模量对比表各种材料的弹性模量对比表 高聚物的弹性模量高聚物的弹性模量E E 约为金属约为金属1 120201 14040，各种材料的模量对比详见上表。这是，各种材料的模量对比详见上表。这是目前高聚物作为工程结构材料使用的
44、最大障碍之一。但高聚物已达目前高聚物作为工程结构材料使用的最大障碍之一。但高聚物已达 b b 与其可能达的与其可能达的理论强度还相差很远，仅为其理论强度还相差很远，仅为其1 11001001 11000 1000。（3 3）高聚物的冲击韧度高聚物的冲击韧度l 热塑性塑料的冲击韧度一般为热塑性塑料的冲击韧度一般为 2 215KJ15KJmm2 2（带缺口），（带缺口），而热固性塑料的仅为而热固性塑料的仅为5KJ5KJmm2 2（带缺口）。（带缺口）。高聚物的冲击高聚物的冲击韧度比金属小得多，主要由于强度低所致。韧度比金属小得多，主要由于强度低所致。l l（4 4）疲劳强度）疲劳强度 l 随着聚合
45、物在机械工程上的应用日益广泛，承受交变载荷随着聚合物在机械工程上的应用日益广泛，承受交变载荷的聚合物零件越来越多，如塑料齿轮、弹簧、阀片、凸轮等，的聚合物零件越来越多，如塑料齿轮、弹簧、阀片、凸轮等，无不是在循环的交变载荷下工作的，所以测定疲劳强度这个性无不是在循环的交变载荷下工作的，所以测定疲劳强度这个性能指标对于塑料应用是十分重要的。能指标对于塑料应用是十分重要的。聚碳酸酯、聚砜等热塑性聚碳酸酯、聚砜等热塑性塑料的疲劳强度只有静态抗拉强度的塑料的疲劳强度只有静态抗拉强度的10102020，而而聚甲醛聚甲醛等少数塑料高达等少数塑料高达5050，多数塑料则在，多数塑料则在20203535之间。
46、之间。（5 5）摩擦、磨损性能）摩擦、磨损性能 l聚合物材料的硬度比金属低，但是其摩擦、磨损性能却远远优于金属。这是由于聚合物材料的硬度比金属低，但是其摩擦、磨损性能却远远优于金属。这是由于聚合物的摩擦系数比较小，详见下页表（大多数塑料对金属和对塑料的摩擦系数一聚合物的摩擦系数比较小，详见下页表（大多数塑料对金属和对塑料的摩擦系数一般在般在 0.4 0.4 范围内）。同时许多高聚物如聚四氟乙烯、尼龙等本身又具有自润滑性范围内）。同时许多高聚物如聚四氟乙烯、尼龙等本身又具有自润滑性能。因此用塑料制成的零件，可以在各种液体摩擦、边界摩擦、甚至于干摩擦等条能。因此用塑料制成的零件，可以在各种液体摩擦
47、、边界摩擦、甚至于干摩擦等条件下有效地工作。总之，工程塑料良好的减摩、耐磨和自润滑性能是金属耐磨材料件下有效地工作。总之，工程塑料良好的减摩、耐磨和自润滑性能是金属耐磨材料所无法比拟的，用工程塑料制作的轴承、保持架、活塞环、导轨抗磨层、叶片、叶所无法比拟的，用工程塑料制作的轴承、保持架、活塞环、导轨抗磨层、叶片、叶轮和凸轮、齿轮等，在机械工程上获得了广泛应用。轮和凸轮、齿轮等，在机械工程上获得了广泛应用。聚合物材料的聚合物材料的聚合物材料的聚合物材料的摩擦系数表摩擦系数表摩擦系数表摩擦系数表 （6 6）粘弹性）粘弹性 l大多数高聚物的高弹性大体是大多数高聚物的高弹性大体是“平衡高弹性平衡高弹性
48、”，即应变与应力同步发生，或应变，即应变与应力同步发生，或应变与应力即时达到平衡，如图所示。但还有一些高聚物，例如橡胶，特别是在低温和与应力即时达到平衡，如图所示。但还有一些高聚物，例如橡胶，特别是在低温和老化时，高弹性表现出强烈的时间依赖性。应变不仅决定于应力，而且决定于应力老化时，高弹性表现出强烈的时间依赖性。应变不仅决定于应力，而且决定于应力作用的速率。即应变不随作用力即时建立平衡，而有所滞后，作用的速率。即应变不随作用力即时建立平衡，而有所滞后，如上图所示如上图所示。这就是。这就是粘弹性，它是高聚物的又一重要特性。粘弹性，它是高聚物的又一重要特性。粘弹性，它是高聚物的又一重要特性。粘弹
49、性，它是高聚物的又一重要特性。l l蠕变蠕变蠕变蠕变 指在应力保持恒定情况下，应变随时间的增长而增加的现象。蠕变温指在应力保持恒定情况下，应变随时间的增长而增加的现象。蠕变温度低是聚合物的一大缺点，当载荷大时甚至发生蠕变断裂。度低是聚合物的一大缺点，当载荷大时甚至发生蠕变断裂。l l应力松弛应力松弛应力松弛应力松弛 高聚物受力变形后所产生的应力随时间而逐渐衰减的现象就叫高聚物受力变形后所产生的应力随时间而逐渐衰减的现象就叫应力松弛。例如，连接管道的法兰盘中的密封垫圈，经过较长时间工作后发生渗漏应力松弛。例如，连接管道的法兰盘中的密封垫圈，经过较长时间工作后发生渗漏现象，就是应力松弛的表现。现象
50、，就是应力松弛的表现。l l内耗内耗内耗内耗 指在交变应力作用下出现的粘弹性现象。在交变应力作用下，出于高指在交变应力作用下出现的粘弹性现象。在交变应力作用下，出于高弹态的聚合物，当其变形速度跟不上应力变化速度时，就会出现滞后现象，这种应弹态的聚合物，当其变形速度跟不上应力变化速度时，就会出现滞后现象，这种应力和应变间的滞后就是粘弹性。由于重复加载，就会出现上一次变形还未来得及回力和应变间的滞后就是粘弹性。由于重复加载，就会出现上一次变形还未来得及回复，又施加上了下一次载荷，于是造成分子间的内摩擦，变成热能，产生所谓内耗。复，又施加上了下一次载荷，于是造成分子间的内摩擦，变成热能，产生所谓内耗