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1、Polymer Materials高分子材料高分子材料教学目的与要求:l1.了解高分子材料的概念、物理状态、性能及分类。l2.介绍塑料、橡胶、合成纤维的特点及应用。教学内容：l1.高分子材料基本知识。l2.高分子材料的物理状态及性能。l3.工程高分子材料。重点、难点：l重点：各种高分子材料的结构与性能及应用。l难点：高分子材料的物理状态及性能。高分子材料无处不在：高分子材料无处不在：按性能和用途分类按性能和用途分类塑料、橡胶、纤维塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料、粘合剂、涂料、功能高分子功能高分子高分子分类高分子分类橡胶是有机高分子弹性化橡胶是有机高分子弹性化合物。在很宽的温度（合物。在很宽的温
2、度（50150）范围内具有）范围内具有优异的弹性，所以又称为优异的弹性，所以又称为高弹体。高弹体。能把各种材料紧能把各种材料紧密地结合在一起密地结合在一起的物质。的物质。涂布在物体表面涂布在物体表面而形成具有保护而形成具有保护和装饰作用膜层和装饰作用膜层的材料。的材料。具有特定的功能具有特定的功能作用，可作功能作用，可作功能材料使用的高分材料使用的高分子化合物。子化合物。在常温下具有固定的形状和在常温下具有固定的形状和强度，在高温下具有可塑性强度，在高温下具有可塑性的高分子化合物。在外力的的高分子化合物。在外力的作用下，可以产生形变，加作用下，可以产生形变，加工成任何所需的形状。工成任何所需的
3、形状。纤维是指长度比其直径纤维是指长度比其直径大很多倍大很多倍(大于大于1000/1)，并具有一定柔韧性的，并具有一定柔韧性的纤细物质。纤细物质。8.1 概述概述 一一.基本概念基本概念1.定义：高分子材料定义：高分子材料：以聚合物或以聚合物为主，辅以各种添加以聚合物或以聚合物为主，辅以各种添加剂等物质经加工而成的材料。剂等物质经加工而成的材料。高分子化合物高分子化合物也叫也叫聚合物聚合物或或大分子。大分子。主链由主链由1 1共价键结合，共价键结合，具具有有2 2高的分子量高的分子量，其结构必须是由其结构必须是由3 3多个多个重复单元重复单元所组成，并且这些所组成，并且这些重复单元重复单元实际
4、上或概念上是由实际上或概念上是由相应的小分子相应的小分子（单体）（单体）衍生而来。概括的说，衍生而来。概括的说，高高分子分子是是由许多相同的重复单元通过化学键连接而由许多相同的重复单元通过化学键连接而由许多相同的重复单元通过化学键连接而由许多相同的重复单元通过化学键连接而成的大分子。成的大分子。成的大分子。成的大分子。聚氯乙烯聚氯乙烯高高 分分 子子小小 分分 子子聚聚 合合 反反 应应PolymerizationPolymerization单单 体体单单 体体:能够进行聚合反应，并转化成高分子基本结构能够进行聚合反应，并转化成高分子基本结构组成单元的小分子。组成单元的小分子。Monomern
5、(CH2=CH2)CH2-CH2 n CH2-CH2：链节链节n：聚合度：聚合度M=nm，M为高分子聚合物为高分子聚合物的相对分子量的相对分子量，m为链节的为链节的相对分子量相对分子量单体单体 聚乙烯聚乙烯二.人工合成方式由小分子单体合成高聚物的反应，称为聚合反应。根据单体和聚合物的组成和结构发生的变化，聚合反应可分为加聚反应和缩聚反应俩大类。聚合反应聚合反应高分子反应高分子反应缩聚反应缩聚反应加聚反应加聚反应用天然高分子用天然高分子用合成高分子用合成高分子形形成成高高分分子子的的方方法法复合材料复合材料 具有具有不饱和键不饱和键（双键或三键）的单体，在光、热（双键或三键）的单体，在光、热或引
6、发剂的引发下，事不饱和健打开，由共价键或引发剂的引发下，事不饱和健打开，由共价键互相连接而形成大分子链的反应。互相连接而形成大分子链的反应。1.加聚反应加聚反应 加聚反应的特点加聚反应的特点反应反应没有副产物没有副产物生成生成化学组成与单体的化学组成化学组成与单体的化学组成基本相同基本相同加聚物的分子量是单体分子量的加聚物的分子量是单体分子量的整数倍整数倍l均聚物-由一种单体加聚而得。l共聚物-由俩种或俩种以上单体加聚而得2.缩聚反应缩聚反应由由2种或种或2种以上具有官能团的单体，通过官能团种以上具有官能团的单体，通过官能团间的相互缩合作用，逐步合成为一种大分子链，间的相互缩合作用，逐步合成为
7、一种大分子链，同时还析出副产品的反应，称为缩聚反应。同时还析出副产品的反应，称为缩聚反应。有有低分子副产物低分子副产物生成，一般为水、氨、醇等低分子化生成，一般为水、氨、醇等低分子化合物合物;缩聚产物的化学组成与单体的化学组成缩聚产物的化学组成与单体的化学组成完全不同完全不同 特点特点三三.基本性质基本性质（1 1）力学性能）力学性能比强度高比强度高高弹性和低弹性模量高弹性和低弹性模量低硬度低硬度（2 2）物理性能）物理性能电绝缘性优良电绝缘性优良耐热性差耐热性差导热性低、膨胀大导热性低、膨胀大（3 3）化学性能）化学性能在酸、碱、盐溶液中耐腐蚀性较强在酸、碱、盐溶液中耐腐蚀性较强在特定的有机
8、溶剂中发生软化和溶胀等现象。在特定的有机溶剂中发生软化和溶胀等现象。（4 4）高分子材料的老化）高分子材料的老化在热、光、辐射、氧和臭氧等作用下，使聚合物内部在热、光、辐射、氧和臭氧等作用下，使聚合物内部分子结构发生变化，导致性能随时间推移逐渐恶化，直分子结构发生变化，导致性能随时间推移逐渐恶化，直至失效。至失效。不可逆不可逆原因原因：分子链交联或支化，使其变硬变脆分子链交联或支化，使其变硬变脆 大分子链断裂，相对分子量下降，发生降解大分子链断裂，相对分子量下降，发生降解1.线型无定形线型无定形聚合物的力学三态：玻璃态聚合物的力学三态：玻璃态 高弹态高弹态 粘流态粘流态 图图8-2 线型无定形
9、高聚物线型无定形高聚物 形变温度曲线形变温度曲线 Tx 脆化温度；脆化温度；Tg 玻璃化转变温度；玻璃化转变温度；Tf 粘流温度；粘流温度；Td分解温度。分解温度。玻璃态玻璃态 （塑料和纤维）（塑料和纤维）T Tg：分子链、键段不能运动，只有：分子链、键段不能运动，只有 键长和键角可作微小变化。键长和键角可作微小变化。高弹态高弹态 （橡胶）（橡胶）Tg TTf：键段可以运动，但分子链：键段可以运动，但分子链 不能运动，分子链呈卷曲不能运动，分子链呈卷曲 状态状态。粘流态粘流态 （成型加工的状态成型加工的状态）Tf TTd：键段、分子链均能运动，：键段、分子链均能运动，高聚物成为流动的粘液。高聚
10、物成为流动的粘液。8.2 高聚物的力学性能高聚物的力学性能 一一.高聚物的力学状态高聚物的力学状态Tx2.线性结晶高聚物的力学状态Tf1温度温度形变形变Tf2TgTmM1 M2皮革态皮革态=高弹态高弹态+晶态晶态 晶区：晶态晶区：晶态高弹形变高弹形变黏流态黏流态非晶区：玻璃态非晶区：玻璃态高弹态高弹态黏流态黏流态3.体型（交联）高聚物的力学状态体型（交联）高聚物的大分子相互交联，不溶不熔，体型（交联）高聚物的大分子相互交联，不溶不熔，体型（交联）高聚物的大分子相互交联，不溶不熔，体型（交联）高聚物的大分子相互交联，不溶不熔，在在在在TdTd以下，一直是玻璃态，不存在粘流态。以下，一直是玻璃态，
11、不存在粘流态。以下，一直是玻璃态，不存在粘流态。以下，一直是玻璃态，不存在粘流态。(a)刚而脆，聚苯乙烯塑料(b)刚而强，有机玻璃，硬聚氯乙烯高聚物有4种典型的应力-应变曲线(a)刚而脆，在较大的应力作用下，仅发生较小的应变，并在屈服点之前发生断裂，具有高的模量和抗张强度，但受力呈脆性断裂，冲击强度差。(b)刚而脆，在较大的应力作用下，发生较小的应变，在屈服点附近断裂，具有高的模量和抗张强度。二二.高聚物的应力高聚物的应力-应变行为应变行为(d)软而韧，聚酸酯(c)刚而韧，橡胶(c)刚而韧，具有高的模量和抗张强度，断裂伸长率大，受力呈韧性断裂。以上三种高聚物，由于强度较大，适用于做工程塑料。以
12、上三种高聚物，由于强度较大，适用于做工程塑料。(d)软而韧，模量低，屈服强度低，伸长率大，断裂强度较高。由于聚合物具有粘弹性，其应力由于聚合物具有粘弹性，其应力-应变行为受温度、应变应变行为受温度、应变速率的影响很大。一般来说，材料在玻璃化温度速率的影响很大。一般来说，材料在玻璃化温度Tg以下以下只发生弹性变形，而在只发生弹性变形，而在Tg以上产生粘性流动。应变速率以上产生粘性流动。应变速率对应力对应力-应变行为的影响是增加应变速率相当于降低温度。应变行为的影响是增加应变速率相当于降低温度。三三.高聚物的屈服于冷拉高聚物的屈服于冷拉有些聚合物在屈服后能产生很大的塑性变形，其本质与金属有些聚合物
13、在屈服后能产生很大的塑性变形，其本质与金属也有很大不同。也有很大不同。图8-5 玻璃态高聚物在Tb-Tg之间和部分结晶高聚物在Tg-Tm之间的典型拉伸应力-应变曲线及试样形状的变化示意图。在拉伸初始阶段，试样工作段被均匀拉伸；到达屈服在拉伸初始阶段，试样工作段被均匀拉伸；到达屈服点时，工作段局部区域出现缩颈，继续拉伸时，缩颈点时，工作段局部区域出现缩颈，继续拉伸时，缩颈区和未缩颈区的截面都基本保持不变，但缩颈不断沿区和未缩颈区的截面都基本保持不变，但缩颈不断沿试样扩展，直到整个工作段均匀变细后，才再度被均试样扩展，直到整个工作段均匀变细后，才再度被均匀拉伸至断裂。匀拉伸至断裂。如果试样在拉断前
14、卸载，或试样因被如果试样在拉断前卸载，或试样因被拉断而自动卸载，则拉伸中产生的大变形除少量可恢拉断而自动卸载，则拉伸中产生的大变形除少量可恢复外，大部分变形将保留下来，这样一个拉伸过程称复外，大部分变形将保留下来，这样一个拉伸过程称为冷拉。为冷拉。一、塑料一、塑料一、塑料一、塑料 l塑料是在玻璃态下使用的高分子材料。在一定温度、压力下可塑料是在玻璃态下使用的高分子材料。在一定温度、压力下可塑制成型，在常温下能保持其形状不变。塑制成型，在常温下能保持其形状不变。l1、塑料概述、塑料概述 l 塑料的组成塑料的组成 l塑料是以树脂为主要成分，加塑料是以树脂为主要成分，加入各种添加剂。入各种添加剂。l
15、树脂是塑料的主要成分，对塑树脂是塑料的主要成分，对塑料性能起决定性作用。料性能起决定性作用。塑塑料料制制品品8.3常用高分子材料简介l添加剂添加剂是为改善塑料某些性能而加入的物质。是为改善塑料某些性能而加入的物质。l填料填料主要起主要起增强作用增强作用；l增塑剂增塑剂用于提高树脂的可塑性和柔软性；用于提高树脂的可塑性和柔软性；l固化剂固化剂用于使热固性树脂由线型结构转变为体型结构；用于使热固性树脂由线型结构转变为体型结构；l稳定剂稳定剂用于防止塑料老化，延长其使用寿命；用于防止塑料老化，延长其使用寿命；l润滑剂润滑剂用于防止塑料加工时粘在模具上用于防止塑料加工时粘在模具上,使制品光亮；使制品光
16、亮；l着色剂着色剂用于塑料制品着色。用于塑料制品着色。l其他的还有发泡剂、催化其他的还有发泡剂、催化 剂、阻燃剂、抗静电剂剂、阻燃剂、抗静电剂等。等。添添加加剂剂l 塑料的分类塑料的分类l按树脂受热时行为可分为按树脂受热时行为可分为热塑性塑料热塑性塑料和和热固性塑料热固性塑料。l按使用范围可分为按使用范围可分为通用塑料通用塑料、工程塑料工程塑料和和特种塑料特种塑料。l通用塑料产量大、价格低、用途广。通用塑料产量大、价格低、用途广。l工程塑料力学性能高，耐热、耐蚀性能好。工程塑料力学性能高，耐热、耐蚀性能好。l特种塑料特种塑料是指具有某些特殊性能是指具有某些特殊性能如耐高温、耐腐蚀的塑料，这类如
17、耐高温、耐腐蚀的塑料，这类塑料产量少，价格贵，只用于特塑料产量少，价格贵，只用于特殊需要的场合殊需要的场合。热固性塑料制品热固性塑料制品按加工按加工热塑性塑料和热固性塑料热塑性塑料和热固性塑料项目热塑性塑料热固性塑料加工特性受热软化、熔融、塑制成一定形状，冷却后固化定型未成型前受热软化，熔融可塑制成一定形状，在热和固化剂作用下，一次硬化定型重复加工性再次受热，仍可软化、熔融，反复多次加工受热不熔融，达到一定温度分解破坏，不能反复加工溶剂中情况可溶不溶化学结构线性高分子由线性分子变为体形分子举例PE、PP、PVC、ABSPF、UF、MF、EPl 塑料的性能特点塑料的性能特点l塑料的塑料的优点优点
18、：l相对密度小相对密度小(一般为一般为0.9 2.3)；耐蚀性、电绝缘；耐蚀性、电绝缘性、减摩、耐磨性好；性、减摩、耐磨性好；有消音吸振性能有消音吸振性能。l塑料的塑料的缺点缺点：l刚性差刚性差(为钢铁材料的为钢铁材料的1/1001/10)，强度低强度低；耐热性；耐热性差、热膨胀系数大（是钢铁的差、热膨胀系数大（是钢铁的10倍）、导热系数小倍）、导热系数小(只有金属的只有金属的1/2001/600)；蠕变温度低、易老化。；蠕变温度低、易老化。l2、常用塑料、常用塑料的的特点和用途特点和用途l 一般结构用塑料一般结构用塑料l包括聚乙烯包括聚乙烯(PE)、聚氯乙烯、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯、聚
19、苯乙烯(PS)、聚丙烯聚丙烯(PP)和和ABS塑料等。塑料等。l聚丙烯具有优良的综合性能，可制造各种机械零件。聚丙烯具有优良的综合性能，可制造各种机械零件。lABS塑料塑料“坚韧、质硬、刚性坚韧、质硬、刚性”，应用广泛。，应用广泛。PE波纹管波纹管PP方向盘方向盘ABS阀门阀门PS管管l聚酰胺又称尼龙或绵纶，强度较高，耐磨、自润聚酰胺又称尼龙或绵纶，强度较高，耐磨、自润滑性好，广泛用作机械、化工及电气零件。滑性好，广泛用作机械、化工及电气零件。l聚甲醛具有优良的综合性能，广泛用于汽车机床、聚甲醛具有优良的综合性能，广泛用于汽车机床、化工、电气仪表、农机等工业化工、电气仪表、农机等工业。尼龙管件
20、尼龙管件PC挡挡风风板板l聚碳酸酯聚碳酸酯具有优良的机械性具有优良的机械性能，透明无毒，应用广泛。能，透明无毒，应用广泛。l 摩擦传动零件用塑料摩擦传动零件用塑料l包括聚酰胺包括聚酰胺(PA)、聚甲醛、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯聚碳酸酯(PC)、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯(PTFE)等。等。改改良良的的聚聚碳碳酸酸酯酯材材料料 透明塑料制成的新款透明塑料制成的新款eXasis概念汽车概念汽车 2007.3日内瓦日内瓦密封件密封件聚四氟乙烯管聚四氟乙烯管聚四氟乙烯零件聚四氟乙烯零件l聚四氟乙烯聚四氟乙烯(PTFE)俗称俗称“塑料王塑料王”，具有极优越，具有极优越的化学稳定性和热稳定性以及优越的电性能
21、，几的化学稳定性和热稳定性以及优越的电性能，几乎不受任何化学药品的腐蚀，摩擦系数极低，只乎不受任何化学药品的腐蚀，摩擦系数极低，只有有0.04。缺点是强度低、加工性差。主要用于减。缺点是强度低、加工性差。主要用于减摩密封件、化工耐蚀件与热交换器以及高频或潮摩密封件、化工耐蚀件与热交换器以及高频或潮湿条件下的绝缘材料。湿条件下的绝缘材料。l 耐蚀用塑料耐蚀用塑料l耐蚀用塑料主要有聚四氟乙耐蚀用塑料主要有聚四氟乙烯、氯化聚醚烯、氯化聚醚(PENTON)、聚丙烯等。聚丙烯等。l氯化聚醚的化学稳定性仅次氯化聚醚的化学稳定性仅次于聚四氟乙烯，但工艺性比于聚四氟乙烯，但工艺性比聚四氟乙烯好，成本低。在聚四
22、氟乙烯好，成本低。在化学工业和机电工业获得广化学工业和机电工业获得广泛应用，如化工设备零件、泛应用，如化工设备零件、管道、衬里等。管道、衬里等。氯化聚醚防腐蝶阀氯化聚醚防腐蝶阀 l 耐高温件用塑料耐高温件用塑料l有聚砜有聚砜(PSF)、聚苯醚、聚苯醚(PPO)、聚酰亚胺、聚酰亚胺(PI)及氟塑料等。及氟塑料等。l聚砜聚砜的热稳定性高是其的热稳定性高是其聚酰亚胺层压板聚酰亚胺层压板 最突出的特点。使用温度达最突出的特点。使用温度达150174。用于机械设。用于机械设备等工业。备等工业。l聚苯醚具有良好的综合性能聚苯醚具有良好的综合性能,用于机电等方面。用于机电等方面。l聚酰亚胺在聚酰亚胺在260
23、下可长期使用。主要用于特殊条件下可长期使用。主要用于特殊条件下使用的精密零件。下使用的精密零件。l 热固性塑料热固性塑料l热固性塑料是在树脂中加入固化剂压制成型而形热固性塑料是在树脂中加入固化剂压制成型而形成的体形聚合物。成的体形聚合物。l酚醛塑料是以酚醛树脂为基，加入填料及其他添酚醛塑料是以酚醛树脂为基，加入填料及其他添加剂而制成。广泛用于制作各种电讯器材和电木加剂而制成。广泛用于制作各种电讯器材和电木制品（如插座、开关等），耐热绝缘部件及各种制品（如插座、开关等），耐热绝缘部件及各种结构件。结构件。电器配件电器配件3、选用塑料是应考虑的因素、选用塑料是应考虑的因素l工作温度；工作温度；l湿
24、度和水；湿度和水；l光和氧。光和氧。二、橡胶二、橡胶 l橡胶是以高分子化合物为基础的具有高弹性的材料。橡胶是以高分子化合物为基础的具有高弹性的材料。l1、橡胶的组成和性能特点、橡胶的组成和性能特点 l工业用橡胶由生胶和橡胶配合剂组成。生胶无配合工业用橡胶由生胶和橡胶配合剂组成。生胶无配合剂并未经硫化。橡胶配合剂有硫化剂、硫化促进剂、剂并未经硫化。橡胶配合剂有硫化剂、硫化促进剂、防老剂、软化剂、填充剂、发泡剂、着色剂等。防老剂、软化剂、填充剂、发泡剂、着色剂等。l橡胶最大的特点是高弹性。橡胶有储能、耐磨、隔橡胶最大的特点是高弹性。橡胶有储能、耐磨、隔音、绝缘等性能。音、绝缘等性能。现代生活中的高
25、分子材料橡胶现代生活中的高分子材料橡胶来源来源天然橡胶天然橡胶合成橡胶合成橡胶从自然界含胶植物中制取的一种高弹性物质从自然界含胶植物中制取的一种高弹性物质用人工合成的方法制得的高分子弹性材料用人工合成的方法制得的高分子弹性材料2、分类、分类合合成成橡橡胶胶通用合成橡胶通用合成橡胶特种合成橡胶特种合成橡胶性能与天然橡胶相同或相近、广泛用性能与天然橡胶相同或相近、广泛用于制造轮胎及其他大量橡胶制品的橡于制造轮胎及其他大量橡胶制品的橡胶品种。如丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯胶品种。如丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶丁橡胶、丁基橡胶具有耐寒、耐热、耐油、耐臭氧等特殊性具有耐寒、耐热、耐油、耐臭氧等特殊性
26、能，用于制造特定条件下使用的橡胶制品。能，用于制造特定条件下使用的橡胶制品。如丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶、聚氨酯橡如丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶、聚氨酯橡胶胶按其性按其性能和用途能和用途（1)天然橡胶天然橡胶 天然橡胶的分子链由异戊二烯链节组成。天然橡胶的分子链由异戊二烯链节组成。聚合度：聚合度：1000010000左右；相对分子量：左右；相对分子量：3-30003-3000万；万；多分散性指数：多分散性指数：2.8-102.8-10 具有一系列优良的物理机械性能和加工性能，具有一系列优良的物理机械性能和加工性能，是综合性能最好的橡胶。是综合性能最好的橡胶。橡胶工人从橡胶树橡胶工人从橡胶树上提取橡胶
27、上提取橡胶 优点：优点：弹性高，是当前橡胶中弹性高，是当前橡胶中弹性最高弹性最高的一种；的一种；耐低温性能好，玻璃化温度为耐低温性能好，玻璃化温度为105；耐磨性能优；耐磨性能优异，滞后损失低，生热性低，耐屈挠性好；与其它橡异，滞后损失低，生热性低，耐屈挠性好；与其它橡胶相容性好。胶相容性好。主要用于制造轮胎，也用于制造胶鞋、胶辊等主要用于制造轮胎，也用于制造胶鞋、胶辊等耐磨性制品耐磨性制品(2)聚丁二烯聚丁二烯(顺丁橡胶顺丁橡胶)(BR)以丁二烯为单体聚合而得的一种以丁二烯为单体聚合而得的一种通用合成橡胶。通用合成橡胶。丁苯橡胶：是以丁苯橡胶：是以丁二烯丁二烯和和苯乙烯苯乙烯为单体共聚而得的
28、为单体共聚而得的高分子弹性体。高分子弹性体。结构式：结构式：(3)丁苯橡胶丁苯橡胶(SBR)用途：用途：广泛用于制造汽车轮胎，皮带等；与天然橡胶广泛用于制造汽车轮胎，皮带等；与天然橡胶共混可作密封材料和电绝缘材料共混可作密封材料和电绝缘材料最早工业化的合成橡胶，最早工业化的合成橡胶，19371937年德国首先年德国首先实现工业化生产。其产量和消耗量在合成实现工业化生产。其产量和消耗量在合成橡胶中占第一位，占橡胶中占第一位，占50%50%以上。以上。特点特点：耐磨性和气密性好，抗撕裂性和耐：耐磨性和气密性好，抗撕裂性和耐老化性较佳，但强度和弹性差老化性较佳，但强度和弹性差丁基橡胶是丁基橡胶是异丁
29、烯异丁烯和和少量异戊二烯少量异戊二烯的共聚物，为白色或暗的共聚物，为白色或暗灰色透明弹性体。灰色透明弹性体。结构式结构式丁基橡胶于丁基橡胶于19431943年美国开始工业生产。发展较快，年美国开始工业生产。发展较快，已成为通用橡胶之一。已成为通用橡胶之一。(4)丁基橡胶丁基橡胶(IIR)特点：特点：气密性最好的橡胶气密性最好的橡胶，气透率约为天然橡胶的，气透率约为天然橡胶的1/20，顺丁橡胶的，顺丁橡胶的1/30用途：用途：主要用于制作内胎，也可用于制作无内胆轮胎主要用于制作内胎，也可用于制作无内胆轮胎的密封层。的密封层。3、橡胶的老化与防护橡胶的老化与防护l老化过程是一种不可逆的老化过程是一
30、种不可逆的化学反应化学反应，伴，伴随着随着外观、结构和性能外观、结构和性能的变化。的变化。(1).橡胶老化橡胶老化 指橡胶或橡胶制品在加工、贮存和使用过程中，指橡胶或橡胶制品在加工、贮存和使用过程中，由于受到各种外界因素的作用，而逐步失去原有由于受到各种外界因素的作用，而逐步失去原有的优良性能，以致最后丧失了使用价值。的优良性能，以致最后丧失了使用价值。l2)原因原因 l物理因素：热电光机械力高能辐射等。物理因素：热电光机械力高能辐射等。l化学因素：氧臭氧，空气中的水汽酸碱盐等。化学因素：氧臭氧，空气中的水汽酸碱盐等。l生物因素：微生物：细菌真菌生物因素：微生物：细菌真菌 昆虫：白蚁蟑螂会蛀食
31、高分子材料。昆虫：白蚁蟑螂会蛀食高分子材料。海生物：牡蛎石灰虫海藻海草等海生物：牡蛎石灰虫海藻海草等l最常见的、影响最大、破坏性最强的因素是：最常见的、影响最大、破坏性最强的因素是：热、氧、光氧、机械力、臭氧热、氧、光氧、机械力、臭氧.l（3）、橡胶老化的防护 （1）选用耐老化性能好的橡胶）选用耐老化性能好的橡胶 （2）加入防护助剂（）加入防护助剂（防老剂防老剂）（3）选用合适的其它配合剂）选用合适的其它配合剂 （4）在橡胶原料中适当加入石蜡，橡塑）在橡胶原料中适当加入石蜡，橡塑共混，电镀，涂上涂料等共混，电镀，涂上涂料等 （5）掌握正确的硫化工艺，防止橡胶制）掌握正确的硫化工艺，防止橡胶制品
32、不受暴晒等。品不受暴晒等。纤纤 维维合成纤维合成纤维天然纤维天然纤维羊毛羊毛棉棉聚酰胺纤维（锦纶）聚酰胺纤维（锦纶）聚酯纤维聚酯纤维(涤纶）涤纶）聚丙烯腈纤维（腈纶）聚丙烯腈纤维（腈纶）分类分类性能：性能：强韧耐磨、弹性高、质量轻，染色性好，较不易起皱，强韧耐磨、弹性高、质量轻，染色性好，较不易起皱，抗疲劳性好。吸湿率为抗疲劳性好。吸湿率为3.5%5.0%，在合成纤维中是较，在合成纤维中是较大的，吸汗性适当，但容易走样大的，吸汗性适当，但容易走样 用途用途：约一半作衣料用，一半用于工业生产。在工业生产应用中，约一半作衣料用，一半用于工业生产。在工业生产应用中，约约1/31/3是做轮胎帘子线。是
33、做轮胎帘子线。结构式结构式:(1)(1)聚己二酰己二胺纤维（锦纶聚己二酰己二胺纤维（锦纶聚己二酰己二胺纤维（锦纶聚己二酰己二胺纤维（锦纶-66-66，尼龙，尼龙，尼龙，尼龙-66-66）性能：性能：显著优点是：抗皱、保型、挺括、美观。对热、光稳定性显著优点是：抗皱、保型、挺括、美观。对热、光稳定性好。润湿时强度不降低，经洗耐穿，可与其他纤维混纺。好。润湿时强度不降低，经洗耐穿，可与其他纤维混纺。年久不会变黄。缺点是不吸汗，而且需要高温染色年久不会变黄。缺点是不吸汗，而且需要高温染色 结构式结构式:用途：用途：是产量最大的合成纤维，大约是产量最大的合成纤维，大约90%90%作为衣料用（纺织品为作
34、为衣料用（纺织品为75%75%，纺织物为，纺织物为15%15%）。用于工业生产的只占总量的）。用于工业生产的只占总量的6%6%左右左右(2)聚对苯二甲酸乙二醇酯聚对苯二甲酸乙二醇酯(涤纶、的确良涤纶、的确良)性能：性能：具有与羊毛相似的特性，质轻，保温性和体积膨大性优具有与羊毛相似的特性，质轻，保温性和体积膨大性优良。强韧（与棉花相同）而富有弹性，软化温度高。吸良。强韧（与棉花相同）而富有弹性，软化温度高。吸水率低，不适宜作贴身内衣。缺点是强度不如尼龙和涤水率低，不适宜作贴身内衣。缺点是强度不如尼龙和涤纶纶 结构式结构式:用途：用途：大约大约70%70%作衣料用（纺织物占作衣料用（纺织物占60
35、%60%左右），用于工业生产的只占左右），用于工业生产的只占5%5%左右左右(3)聚丙烯腈纤维聚丙烯腈纤维(腈纶、人造羊毛腈纶、人造羊毛)性能：性能：亲水性好，吸湿率可达亲水性好，吸湿率可达5%，和尼龙相当，与棉花，和尼龙相当，与棉花（7%）相近。强度与聚酯或尼龙相近，拉伸弹性比羊毛）相近。强度与聚酯或尼龙相近，拉伸弹性比羊毛差，比棉花好差，比棉花好 结构式结构式:用途：用途：70%用于工业生产，其中以布和绳索居多。可代替棉花用于工业生产，其中以布和绳索居多。可代替棉花作衣料用作衣料用(4)聚乙烯醇纤维（维纶、维尼纶）聚乙烯醇纤维（维纶、维尼纶）第九章第九章 陶瓷材料陶瓷材料主要内容1.概述2
36、.工程结构陶瓷3.金属陶瓷陶陶瓷瓷材材料料指指所所有有无无机机非非金金属属材材料料。是是用用天天然然或或人人工工合合成成的的粉粉状状化化合合物物，经经成型和高温烧结而制成的多晶固体材料。成型和高温烧结而制成的多晶固体材料。第一节 概述按原料来源分：普通陶瓷、特种陶瓷普通陶瓷又称传统陶瓷。从狭义来说，它是指以天然硅酸盐矿物为主要原料，如粘土、石英、长石以原料经高温烧制得到的制品。通常包括陶器、炻器和瓷器。主要制品有：日用陶瓷、建筑陶瓷、电器绝缘陶瓷、化工陶瓷、多孔陶瓷。一、陶瓷材料的分类鹳鱼石斧图彩陶虹新石器时代仰韶文化（距今约新石器时代仰韶文化（距今约70007000年）半坡类型彩陶年）半坡类
37、型彩陶人面鱼纹彩陶盆唐三彩唐三彩是一种盛行于唐代的陶器，以黄、褐、绿为基本釉色，后来人们习惯地把这类陶器称为唐三彩。陶器陶器：是指以粘土为胎，经过手捏、轮制、模塑等方法加工成型后，在8001000高温下焙烧而成的物品，坯体不透明，有微孔，具有吸水性，叩之声音不清。炻炻(shi)(shi)器器：介于陶器和瓷器之间的陶瓷制品，如水缸、沙锅 瓷器瓷器：随着高温技术的不断改进，加上釉的发明，到了大约大约20002000多年前的东汉晚期多年前的东汉晚期，人们开始利用含铝量较高的天然瓷土作原料，使陶器步入了瓷器的阶段，这是陶瓷技术发展史上十分重要的里程碑。粉彩桃枝题诗灯笼瓶 故宫珐琅彩瓷器明洪武釉里红l
38、从广义来说，陶瓷还包括砖瓦、耐火材料、玻从广义来说，陶瓷还包括砖瓦、耐火材料、玻璃、珐琅、各种元素的碳化物、氮化物、硼化物、璃、珐琅、各种元素的碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化物等无机非金属材料，也包括水泥硅化物、氧化物等无机非金属材料，也包括水泥和石墨等和石墨等。特种陶瓷是以纯度较高的人工合成化合物为主要原料的人工合成化合物。如Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN等。按用途分类日用陶瓷工业陶瓷工程结构陶瓷功能陶瓷高强度陶瓷高温陶瓷压电陶瓷磁性陶瓷半导体陶瓷生物陶瓷按性能可将陶瓷分l特种陶瓷可按化学组成分为氧化物陶瓷氮化物陶瓷碳化物陶瓷金属陶瓷（硬质合金）二、陶瓷材料的结构与性能
39、特点陶瓷材料是多相多晶材料，陶瓷结构中同时存在l晶体相l玻璃相l气相各组成相的结构、数量、形态、大小及分布决定了陶瓷的性能。（一）陶瓷材料的结构.晶相晶相晶相是陶瓷材料的主要组成相，对陶瓷的性能起决定性作用。陶瓷中的晶相的结合键为l离子键l共价键l混合键氧化物结构的结合键以离子键为主，又称离子晶体。Si3N4、SiC、BN等以共价键为主，称共价晶体。氧化物结构的主要特点是氧离子紧密排列构成晶格骨架，组成六方或面心立方点阵，而正离子位于骨架的适当间隙之中。如：CaO、MgO、Al2O3、ZrO2硅酸盐结构结构很复杂，但基本结构单元为SiO4硅氧四面体，结合键为离子键、共价键的混合键；每个氧原子最
40、多只有被两个SiO4所共有；Si-O-Si的键角为145;SiO4既可孤立存在，亦可通过共用顶点连接成链状、平面或三维网状结构，故硅酸盐材料有无机高聚物之称。l有些陶瓷中的晶相也存在同素异构转变。-石英870-鳞石英1470-方石英1713熔融SiO2573-石英163-鳞石英117-鳞石英180270方石英急冷加热石英玻璃SiO2的同素异构转变l实实际际陶陶瓷瓷晶晶体体与与金金属属晶晶体体一一样样也也存存在在晶晶体体缺缺陷陷，这这些些缺缺陷陷可可加加速速陶陶瓷瓷的的烧烧结结扩扩散散过过程，还影响陶瓷性能。程，还影响陶瓷性能。l晶晶粒粒愈愈细细，陶陶瓷瓷的的强强度度愈愈高高。如如刚刚玉玉（Al
41、2O3）晶晶粒粒平平均均尺尺寸寸为为200m时时，抗抗弯弯强强度度为为74MPa，1.8m时时抗抗弯弯强强度度可可高高达达570MPa。l陶陶瓷瓷材材料料中中往往往往同同时时存存在在多多种种晶晶相相，对对陶陶瓷瓷性性能能起起决决定定作作用用的的晶晶相相称称主主晶晶相相，其其余余为次晶相。为次晶相。玻璃相是一种非晶态固体，是陶瓷烧结时，各组成相与杂质产生一系列物理化学反应形成的液相在冷却凝固时形成的。.玻璃相玻璃相1400C烧结的碳化硅（烧结的碳化硅（SiC）中分散的晶体相与玻璃相）中分散的晶体相与玻璃相的高分辨率透射电镜（的高分辨率透射电镜（HRTEM）照片。插图为选择性区）照片。插图为选择性
42、区域电子衍射环图谱。域电子衍射环图谱。玻璃相的作用玻璃相的作用l将分散的晶相粘结在一起；l降低烧结温度；l抑制晶相的晶粒长大l填充气孔。玻璃相是陶瓷材料中不可缺少的组成相。玻璃相熔点低、热稳定性差，在较低温度下开始软化，导致陶瓷在高温下发生蠕变，且其中常有一些金属离子而降低陶瓷的绝缘性。故工业陶瓷中玻璃相的数量要予以控制，一 般1500Hv（淬淬火火钢钢500800Hv，高高聚聚物物1000），其其它它性性能能介介于于上上两两类类之之间间。既既可可加加工工钢钢材材，又又能能加加工工铸铸铁铁和和有有色色金金属属，故称通用或万能硬质合金。故称通用或万能硬质合金。主主要要用用于于制制造造切切削削刀刀
43、具具、冷冷作作模模具具、量量具具和耐磨零件。和耐磨零件。l钨钨钴钴类类硬硬质质合合金金刀刀具具主主要要用用来来切切削削加加工工脆脆性性材材料料，如如铸铸铁铁、有有色色金金属属、胶胶木木及及其其它它非非金金属属材料；材料；l钨钨钴钴钛钛类类硬硬质质合合金金主主要要用用来来切切削削加加工工韧韧性性材材料，如各种钢。料，如各种钢。l含含Co量量多多的的硬硬质质合合金金韧韧性性好好，适适宜宜粗粗加加工工，含含Co量少的适于精加工。量少的适于精加工。l通通用用硬硬质质合合金金既既可可切切削削脆脆性性材材料料，亦亦可可加加工工韧性材料韧性材料2.应用（三）钢结硬质合金以以一一种种或或几几种种碳碳化化物物（
44、WC、TiC）为为硬硬化化相相，以以合合金金钢钢（高高速速钢钢、铬铬钼钼钢钢）粉粉末末为为粘粘结结剂剂，经经配配料料、压压型型、烧烧结结而而成成的的一一种种新新型硬质合金。型硬质合金。与与普普通通硬硬质质合合金金相相比比，钢钢结结硬硬质质合合金金可可锻造、焊接、热处理，并可切削加工。锻造、焊接、热处理，并可切削加工。在在锻锻造造退退火火后后，其其硬硬度度约约4045HRC，可可用用一一般般方方法法切切削削加加工工，加加工工成成型型后后，经经淬淬火低温回火，硬度达火低温回火，硬度达6973HRC。l使用寿命与钨钴类硬质合金相当；使用寿命与钨钴类硬质合金相当；l可可用用于于制制造造形形状状复复杂杂
45、的的刀刀具具，如如麻麻花钻、铣刀。花钻、铣刀。l可可用用于于制制造造在在较较高高温温度度下下工工作作的的模模具和耐磨零件。具和耐磨零件。（四）（四）现代陶瓷的具体应用现代陶瓷的具体应用 1.陶瓷刀具陶瓷刀具 人造金刚石人造金刚石，HV：860010000 N/mm 立方氮化硼立方氮化硼，HV：700010000 N/mm 美国美国1973年开发的人造金刚石刀具，年开发的人造金刚石刀具，1974年开发的年开发的CBN刀具，具有超群刀具，具有超群的切削加工性能的切削加工性能Al2O3TiC复合陶瓷刀具：复合陶瓷刀具：HV：3000 N/mm具有很高的耐磨性和红硬性，是世界各国目具有很高的耐磨性和红
46、硬性，是世界各国目前使用的主要陶瓷刀具前使用的主要陶瓷刀具 Si3N4陶瓷刀具和赛伦陶瓷刀具陶瓷刀具和赛伦陶瓷刀具（Si3N4 Al2O3），），具有耐磨性高，红硬性好，抗热冲具有耐磨性高，红硬性好，抗热冲击能力强等特点击能力强等特点陶瓷刀具的切削速度比硬质合金刀具高陶瓷刀具的切削速度比硬质合金刀具高 310倍倍陶瓷刀具比硬质合金刀具节省的加工工时：陶瓷刀具比硬质合金刀具节省的加工工时：日本为：日本为：35%70%英国为：英国为：66%美国为：美国为：60%中国为：中国为：30%70%2.陶瓷发动机陶瓷发动机铁基高温高合铁基高温高合 850钴基高温高合钴基高温高合 950镍基高温高合镍基高温高
47、合 1100波音波音747的喷气发动机功率：的喷气发动机功率：14000千瓦千瓦活塞式发动机功率：活塞式发动机功率：2570千瓦千瓦 喷气发动机工作时，涡轮进口温度：喷气发动机工作时，涡轮进口温度：1240涡轮机叶片要能同时承受高温、极大的离心涡轮机叶片要能同时承受高温、极大的离心力和扭矩力和扭矩叶片制作材料：要具有很高的高温强度和很叶片制作材料：要具有很高的高温强度和很高的抗氧化能力高的抗氧化能力 只有采用特殊镍基高温合金才能够满足要求只有采用特殊镍基高温合金才能够满足要求 高温结构陶瓷的最高工作温度可达高温结构陶瓷的最高工作温度可达1700，耐磨性和耐蚀性优于镍基高温高合金耐磨性和耐蚀性优
48、于镍基高温高合金1971年，美国实始年，美国实始 了了“脆性材料设计脆性材料设计”计划计划 用高温结构陶瓷来制做飞机发动机的优点：用高温结构陶瓷来制做飞机发动机的优点：能大幅度提高发动机的工作温度能大幅度提高发动机的工作温度 能进一步提高发动机的使用寿命能进一步提高发动机的使用寿命 1978年，日本政府制定了年，日本政府制定了“月光计划月光计划”1984年，五十铃公司研制出全陶瓷发动机年，五十铃公司研制出全陶瓷发动机 与高温合金制造的发动机相比，全陶瓷发动与高温合金制造的发动机相比，全陶瓷发动机的输出功率能提高机的输出功率能提高30%，能节约燃料，能节约燃料50%，发动机重量能减轻发动机重量能减轻30%1995年，现代陶瓷销售额：年，现代陶瓷销售额：日本日本：121亿美元亿美元 美国美国：87亿美元亿美元 德国德国：11亿美元亿美元 英国英国：8亿美元亿美元 法国法国：7亿美元亿美元曾以传统陶瓷闻名于世的中国，在曾以传统陶瓷闻名于世的中国，在“新的陶瓷时代新的陶瓷时代”到来之际，定会到来之际，定会走在世界的前列走在世界的前列