职业院校工程材料（主编陈积伟）教案：第9章 非金属材料.doc

第九章 非金属材料 【重点内容】1.高分子材料的概念、结构及性能特点； 2.常用高分子材料； 3.陶瓷材料的概念及性能特点； 在这里，低分子化合物（如乙烯CH2=CH2）称为单体，大分子链重复排列的结构单元（如）称为链节，链节重复排列的个数 n称为聚合度，显然，聚合度越大，高聚物的大分子链越长，其分子量也就愈大。 可见，高聚物与具有明确分子量的低分子化合物不同，同一高聚物因其聚合度不同，大分子链的长短各异，其分子量也就各不相同。通常所说高聚物的分子量是指其分子量的统计平均值。如聚氯乙烯的分子量为20000～160000。 Ⅰ 聚物的结构特征 前面的学习知道金属材料的性能是它的组织结构决定的，同样，对非金属材料也不例外，它的性能特点仍然是由其组织结构决定的。 结合键 作为高聚物单体的低分子化合物必然具备不饱和的键，如各种烯烃类化合物、环状化合物和含有特殊官能团的化合物，在聚合反应中能形成两个以上的新键，把单体低分子变成链节连接成大分子链。否则不能聚合成大分子链，也就不能形成高聚物。 在高分子链中原子以共价键结合，这种结合力称为主价力高分子链内组成元素不同，原子间共价键的结合力不同，聚合物的性能因而不同。 在高聚物大分子之间一般是分子来链接的，（靠分子间力连接的）这一结合力—范德华力，称为次价力。 虽然单体小分子之间的范德华力很小，仅为共价键的～。然而高聚物中，大分子链是由很多链节组成的，链节之间的次价力大体和单体小分子之间次价力相等。大分子链间的次价力又等于组成大分子的各链节（或单体）间次价力之和，显然聚合度达几千甚至几万的高聚物大分子之间的次价力必然远远超过大分子内部的主价力。 大分子之间的次价力对高聚物的性能有很大的影响。随着聚合度的增大，次价力增大，高聚物的强度、耐热性增大，溶解性和成型工艺性能变差。因此控制聚合度、调整次价力大小是控制和调整高聚物性能的有效途径之一。 大分子链的构形与构象。 ⅰ. 构形：组成大分子链的链节在空间排列的几何形状称为构形。 高聚物有线型（包括带支链的线型）和网体型两种构型。 线型高聚物：链节是线型排列，支链间不发生交联。在低温或受拉力作用时，可变成直链状，在温度高或在有机溶剂作用下可呈卷曲状。因而线型高聚物弹性好，有可塑性、易热熔，能溶于有机溶剂，易于加工成型，并可重复加工和使用。 网体型高聚物：线型主链之间的支链彼此交联变成网型结构，网型支链向三度空间发展并交联形成网体型结构。网体型高聚物由于主链、支链之间交联成一体，链段以至整个大分子链的活动困难，其弹性、塑性很低，甚至失去弹性、塑性呈硬脆性。加热时不能熔化，最多只能软化，不溶于有机溶剂，最多只能膨胀。这类高聚物不能重复加工使用。 ⅱ.构象。 和其他物质分子一样，高聚物的分子链在不停的运动，这种运动是由单链内旋转引起的。大分子链是由成千上万个原子经共价键连接而成，其中以单键连接的原子，由于热运动，两个原子可作相对旋转，即在保持键角、键长不变的情况下，单键作旋转，称为内旋转。 这种由于单键内旋转所产生的大分子链的空间形象称为高分子链的构象。 正是这种极高频率的单键内旋转随时改变着大分子链的构象，使线型高分子键在空间很容易呈卷曲状或线团状，在拉力作用下，呈卷曲状或线团状的线型高分子链可以伸展拉直，外力去除后，有缩回到原来的卷曲状或线团状。这种能拉伸，回缩的性能称为分子链的柔性，这就是高聚物具有弹性的原因。 分子链的柔性受很多因素的影响，由于不同元素原子之间共价键的键长和键能不同，故不同元素组成的大分子链内旋转能力不同，柔性也不同。如：C-O、C-N、Si-O键内旋转能力比C-C键容易。对于同一种分子链，愈长，链节数愈多，参与内旋转的单键愈多，柔性愈好，强度升高时，分子热运动增加内旋转变得容易，柔性增加。 总之，分子链内旋转愈容易，其柔性愈好。分子链柔性对聚合物的性能影响很大。一般柔性分子链的聚合物的强度、硬度和熔点较低，但弹性和韧性好；刚性分子链聚合物则相反，其强度、硬度和熔点较高，而弹性和韧性差。 (3) 高聚物的聚集态 固态高聚物存在着晶态和非晶态两种聚集状态。 晶态高聚物大分子呈规则排列，非晶态高聚物的大分子呈混乱排列。由于高聚物的分子链很大，结构复杂，其结晶组织与低分子物质有很大的不同，存在着晶区和非晶区，同一个大分子链可穿过几个晶区和非晶区。在晶区内呈规则，有序排列，在非晶区内呈无序排列。可见在高聚物中结晶是不完全的，而且总是晶态与非晶态共存或全部非晶态。常用结晶度来衡量其结晶倾向——晶区部分的体积或重量的百分数称结晶度。 结晶度高，反映其排列规则紧密，分子之间的作用力强，因而刚性增加，其强度、硬度、耐热性、耐蚀性提高，反之，结晶度降