材料化学基础正稿省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第第8 8章章材料化学基础材料化学基础第1页8.18.1引言引言8.28.2惯用惯用工程材料在周期表中工程材料在周期表中分布分布与应用与应用8.38.3新型金属材料新型金属材料8.48.4功效无机非金属材料功效无机非金属材料8.58.5有机高分子材料有机高分子材料8.68.6复合材料复合材料8.78.7液晶材料液晶材料第2页本章教学要求本章教学要求本章教学要求本章教学要求 1.1.了解高分子化合物基本概念、命名和分类。了解高分子化合物基本概念、命名和分类。2.2.了解高分子化合物基本结构与主要特征及了解高分了解高分子化合物基本结构与主要特征及了解高分子化合物合成反应子化合物合成反应4.3.了解几个主要高分子材料和复合材料性能及其应用。了解几个主要高分子材料和复合材料性能及其应用。5.第3页8.1引言8.1.1材料发展过程材料发展经历了以下阶段：第一代：天然材料第二代：烧炼材料第三代：合金材料第四代：可设计材料第五代：智能材料第4页按使用性能结构材料：主要利用材料力学性能,以强度为特征，如建筑、构件功效材料：主要利用材料物理和化学性能,以光、电、磁、热等性能为特征材料按化学组成金属材料无机非金属材料高分子材料复合材料8.1.2材料分类材料是人类赖以生存和生产物质基础。材料发展历史反应了人类社会发展文明史。新材料研究和开发已被认为是当今社会发展三大支柱之一。材料品种繁多，材料分类方法主要有两种。第5页8.2惯用工程材料在周期表中分布与应用8.2.1 S区元素组成工程材料8.2.2 P区与B元素组成工程材料8.2.3 d区与B元素组成工程材料第6页8.2.1 S区元素组成工程材料S区金属元素外电子层构型为ns12,而且原子体积大，单质密度小5g.cm-3,属于轻金属。A最外层只有一个电子，电子逸出所需能量小，惯用作光电材料。8.2.2 P区与B元素组成工程材料P区与B金属元素大多活泼性差，其长周期元素次外层d电子已填满，不参加成键，所以长周期单质Bi、Sn、Pb、Hg等是惯用硬度较小低熔点金属。第7页 P区金属元素唯有铝较活跃，但它是易“钝化”轻金属，铝元素可用来代替钢铁和铜，用作航空、航天飞行器主要结构材料。另外，铝还有良好导电、导热性能，惯用来代替铜制造导电材料，尤其是高压电缆。P区非金属单质碳（金刚石）熔点（3652）及硬度是全部单质中最高，它在商业和工业有很大需求。碳、氮、硼、硅等非金属元素间能以共价键结合成化合物，这类化合物属于原子晶体，熔点高、硬度大，是工业上惯用耐高温、耐磨硬质结构材料。第8页 位于P区对角斜线上硼、硅、锗、砷、锑、硒、碲等都是半导体元素，在半导体单质中硅和锗被认为是最好半导体材料。化合物半导体多由 和 族元素组成，较经典有GaAs,AIP 和 InSb等。8.2.3 d区与B元素组成工程材料 d区均为金属元素，外层电子构型为（n-1)d1-9ns1-2，属于重金属。大多数是高熔点金属，其中以钨熔点（3410）最高，除B外,其余都有较有硬度,铬是全部金属中最硬.因为这些元素原子有较多未成正确d电子参加金属键形成，所以金属键很强，它们中很多是主要合金材料（如高温合金、硬质合金等）主要组成元素。第9页 高温合金又称耐热合金，大多是利用d区合金元素制成。第，族金属与碳、氮、硼等所形成金属型化合物统称为硬质合金。一些过渡金属、合金或金属化合物，在一定温度和压力条件下能大量吸收并可逆地释放H2气，可作为贮氢材料。第10页8.3新型金属材料8.3.1 形状记忆合金形状记忆合金也是一类金属功效材料。形状记忆合金有一个特殊转变温度，在转变温度以下，金属晶体处于一个不稳定结构状态；在转变温度（用 Tc 表示）以上，金属晶体是一个稳定结构状态。一旦把它加热到 Tc 以上，不稳定结构就转变成稳定结构，合金就恢复了原来形状。即合金好像“记得”原先所含有形状，故称这类合金为形状记忆合金。第11页比如Ti50Ni（Tc=60）和Ti51Ni（Tc=30）等。用镍钛形状记忆合金制成管接口，在使用温度下加工管接口内径比外管径略小，安装时在低温下将其机械扩张，套接完成在室温下放置，因为接口恢复原状而使接口非常紧密。这种管子固定法在F14型战斗机油压系统接头及在海底输送管接口固接都有很成功实例。第12页氢是二十一世纪要开发和利用新能源之一。氢能优点是发烧值高，没有污染且资源丰富。氢能燃烧将放出大量热能，每千克氢气燃烧产生热能是媒4倍以上。燃烧产物是水，没有任何污染气体产生。氢来源于水分解，可以利用光能或电能分解水，而水是取之不尽。8.3.2 贮氢合金贮氢合金是因金属或合金与氢形成氢化物，从而把氢贮存起来。金属都是密堆积结构，存在许多四面体和八面体空隙，能够容纳半径较小氢原子。在贮氢合金中，一个金属原子能与2个，3个甚至更多氢原子结合，生成金属氢化物。但并不是每种贮氢合金都能作为贮氢材料，含有实用价值贮氢量大，金属氢化物既轻易形成，稍稍加热又轻易分解，室温下收，放氢速度快。使用寿命长和成本低。当前正在研究开发贮氢合金主要有三大系列：镁系贮氢合金；稀土系列贮氢合金如LaNi5，为了降低成本，用混合稀土Mm代替La，可得到MmNiMm,MmNiAl贮氢合金;钛系贮氢合金。第13页贮氢合金用于氢动力汽车试验已获成功。伴随石油资源逐步枯竭，氢能源终将代替汽油，柴油驱动汽车，并一劳永逸消除燃烧汽油，柴油产生污染。贮氢合金用途不限于氢贮存和运输，它在氢回收，分离，净化及氢同位素吸收和分离等方面也有详细应用。贮氢合金应用 作为贮运氢气容器 氢能汽车、电池上应用 分离、回收氢 制取高纯度氢气 氢气静压机第14页贮氢合金分类（按合金系统）镁系贮氢合金稀土贮氢合金钛系贮氢合金 锆系贮氢合金 钙系贮氢合金 第15页贮氢合金分类（按化合物类型）AB5型稀土类及钙系贮氢合金 AB2型Laves相贮氢合金 AB型钛系贮氢合金 A2B型镁系贮氢合金 第16页1.镁系贮氢合金地壳中贮藏量丰富，价格廉价密度小，仅为1.74g/cm3优点：贮氢容量高，MgH2含氢量达3.6%氢吸、放动力学性能差：释放温度高，250以上，反应速度慢，氢化困难 缺点：抗蚀能力差，尤其是作为阴极贮氢合金材料。第17页Mg2Ni 两种改良型：Mg2-xMxNi（MCa、Al）优点：易形成氢化物，分解反应速度比Mg2Ni增大40以上；经过控制Al、Ca与Mg置换量，能够调整平衡压Mg2Ni1-xMx（MV、Cr、Mn、Fe、Zn等）优点：氢化速度和分解速度均得到显著提升Mg2Ni0.95Cr0.05氢化速度和分解速度均得到改进，氢压为4个大气压和296条件下可形成氢化物Mg2Ni0.95Cr0.05H3.9。比如：第18页2.稀土类及钙系贮氢合金AB5型稀土类及钙系贮氢合金主要有以下几个类型：LaNi5系贮氢合金MmNi5系贮氢合金MlNi5系贮氢合金CaNi5系贮氢合金第19页缺点：成本高，大规模使用受到限制吸放氢过程中晶胞体积膨胀大优点：平衡压力适中而平坦放氢快，滞后小轻易活化，室温下即可活化含有良好抗杂质气体中毒性吸氢量大第20页3.钛系贮氢合金钛系贮氢合金钛铁系合金钛锰系合金钛锆系合金钛镍系合金钛铁系合金优点：释氢压力低，价格廉价。缺点：活化困难，抗杂质气体中毒能力差，重复稀 释氢后性能下降。在钛铁二元合金基础上，用合金元素代替Fe，可改进活化性能，滞后现象小。第21页8.4功效无机非金属材料8.4.1 光导纤维8.4.2 超导陶瓷8.4.3 纳米陶瓷第22页8.4功效无机非金属材料无机非金属材料又称陶瓷材料。陶瓷材料传统陶瓷材料和精细陶瓷材料。传统陶瓷或称普通陶瓷，其产品绝大部分属于以黏土、长石、石英等无机非金属矿物为主要原料烧成硅酸盐制品。主要用做日用器皿、建筑陶瓷、工艺陶瓷等。传统陶瓷含有良好电绝缘性和耐化学腐蚀等特征，所以部分陶瓷还用于电力工业（低压电器）和化学工业中。传统陶瓷第23页24精细陶瓷或称特种陶瓷，它是以精制高纯天然无机物或人工合成无机化合物为原料，采取精密控制工艺进行烧结制品。精细陶瓷按其使用性能分结构陶瓷功效陶瓷导电陶瓷超导陶瓷压电陶瓷半导体陶瓷电子陶瓷磁性陶瓷生物陶瓷等第24页附图 光导纤维光导纤维简称光纤，以传光和传像为目标一个光波传导介质。光导纤维最大应用是激光通讯，它含有信息容量大、重量轻、抗干扰、保密性好等优点。8.4.1 光导纤维第25页8.4.2 超导陶瓷含有超导性陶瓷材料。其主要特征是在一定临界温度下电阻为零即所谓零阻现象。在磁场中其磁感应强度为零，即抗磁现象或称迈斯纳效应。高临界温度（90开以上）超导陶瓷材料组成有YBa2Cu3O7-，Bi2Sr2Ca2Cu3O10，Tl2Ba2Ca2Cu3O10。超导陶瓷在诸如磁悬浮列车、无电阻损耗输电线路、超导电机、超导探测器、超导天线、悬浮轴承、超导陀螺以及超导计算机等强电和弱电方面有广泛应用前景。1973年，人们发觉了超导合金铌锗合金，其临界超导温度为23.2K。该统计保持了。第26页1986年，设在瑞士苏黎世美国IBM企业研究中心报道了一个氧化物（镧钡铜氧）含有35K高温超导性，打破了传统“氧化物陶瓷是绝缘体”观念，引发世界科学界轰动。1986年底，美国贝尔试验室研究氧化物超导材料，其临界超导温度到达40K，液氢“温度壁垒”（40K）被跨越。第27页从19861987年一年多时间，临界超导温度提升了100K以上，这在材料发展史，乃至科技发展史上是一大奇迹！1987年2月，美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继在钇钡铜氧系材料上把临界超导温度提升到90K以上，液氮禁区（77K）也奇迹般地被突破了。1987年底，铊钡钙铜氧系材料又把临界超导温度统计提升到125K。第28页纳米陶瓷是指在陶瓷材料显微结构中，晶粒、晶界以及它们之间结合都处于纳米水平（1100nm），使得材料强度、韧性和超塑性大幅度提升，克服了工程陶瓷许多不足，并对材料力学、电学、热学、磁学、光学等性能产生主要影响，为替换工程陶瓷应用开拓了新领域。8.4.3 纳米陶瓷第29页8.5有机高分子材料8.5.1高分子化合物基本概念8.5.2高分子化合物命名与分类8.5.3高分子化合物合成8.5.4高分子化合物结构与性质第30页高分子化合物高分子化合物（高分子、高聚物或聚合物）分子（高分子、高聚物或聚合物）分子比低分子化合物分子要大很多。通常低分子有机化合比低分子化合物分子要大很多。通常低分子有机化合物相对分子质量在物相对分子质量在10001000以下，而高分子化合物相对分以下，而高分子化合物相对分子质量在子质量在1 1万以上，有可达上千万。万以上，有可达上千万。8.5有机高分子材料8.5.1高分子化合物基本概念1.1.单体单体例例 聚氯乙烯分子是由许多氯乙烯结合而成：聚氯乙烯分子是由许多氯乙烯结合而成：单体单体聚合成高分子化合物低分子化合物聚合成高分子化合物低分子化合物单体：单体：第31页*平均聚合度平均聚合度 n n 链节式量链节式量 =高聚物平均相对分子质量高聚物平均相对分子质量单体单体聚合物聚合物聚合度聚合度链节链节简写：简写：链节链节链节链节组成高分子链重复结构单元组成高分子链重复结构单元链节数链节数高分子链所含链节数目，即高分子链所含链节数目，即聚合度（聚合度（DP）2.2.链节与链节与链节数链节数第32页1命名命名（1 1）习惯命名）习惯命名:按原料单体或聚合物结构特征命名按原料单体或聚合物结构特征命名 由一个单体合成得到高聚物由一个单体合成得到高聚物,在单体名称前面冠以在单体名称前面冠以“聚聚”字：字：聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚乙二酰己二胺、聚对苯二聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚乙二酰己二胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯等。甲酸乙二醇酯等。由二种单体合成得到高聚物由二种单体合成得到高聚物,在单体名称后面加在单体名称后面加“树树脂脂”或或“共聚物共聚物”：酚醛树脂、环氧树脂等。酚醛树脂、环氧树脂等。8.5.2 高分子化合物命名与分类第33页（2）系系统统命命名名：以聚合物结构重复单元(即高聚物分子中最小重复单元)为基础命名方法。先确定聚合物分子中最小结构单元，排出次序，然后按小分子有机物命名规则给结构重复单元命名并加括弧，最终在名称前冠一“聚”字。聚（聚（1氯代乙烯氯代乙烯）；）；PVC 为处理聚合物读写不便，常采取国际通用英文为处理聚合物读写不便，常采取国际通用英文缩写符号，如缩写符号，如PVC、ABS等。等。第34页聚合物 单体 名称 商品名称 符号 名称 结构式 聚氯乙烯 氯纶 PVC 氯乙烯 聚丙烯 丙纶 PP丙烯 聚丙烯腈 腈纶 PAN丙烯腈 聚己内酰胺 锦纶6（或尼龙-6）PA6己内酰胺 表表7.1 一些聚合物名称、商品名称、符号及单体一些聚合物名称、商品名称、符号及单体第35页聚己二酰己二胺 锦纶66（尼龙66）PA66己二酸己二胺 聚对苯二甲酸乙二醇酯 涤纶 PET对苯二甲酸乙二醇 聚苯乙烯 聚苯乙烯树脂 PS苯乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯 有机玻璃 PMMA甲基丙烯酸甲酯 聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 ABS树脂 ABS丙烯腈丁二烯 苯乙烯 第36页（2）按主链结构分类按主链结构分类碳链聚合物碳链聚合物 主链完全由碳原子组成。如聚乙烯：主链完全由碳原子组成。如聚乙烯：杂链聚合物杂链聚合物 主链除碳原子外，还含有氧、氮、硫等杂原主链除碳原子外，还含有氧、氮、硫等杂原子。如聚己二酰己二胺（尼龙子。如聚己二酰己二胺（尼龙-66）：）：2.分类（1）按按性性能能和和用用途途分分类类，在在工工程程上上高高聚聚物物可可分分为为：塑塑料料、纤维、橡胶三大类。纤维、橡胶三大类。第37页元元素素有有机机聚聚合合物物 主主链链由由硅硅、硼硼、铝铝与与氧氧、氮氮、硫硫、磷磷等等组组成成，侧侧链链是是有有机机基基团团。如如聚聚二二甲基硅氧烷：甲基硅氧烷：（4）按按功功效效分分类类 通通用用高高分分子子、工工程程材材料料高高分分子子、功功效效高高分子、仿生高分子等分子、仿生高分子等 。元素无机聚合物元素无机聚合物 主链和侧链均由无机元素主链和侧链均由无机元素或基团组成。如聚二氯磷腈：或基团组成。如聚二氯磷腈：（3）按按热热性性能能不不一一样样分分类类 热热塑塑性性聚聚合合物物和和热热固固性性聚聚合物两大类。合物两大类。（5）按起源分类按起源分类 天然高分子和合成高分子。天然高分子和合成高分子。第38页聚合反应聚合反应由小分子单体合成聚合物化学反应由小分子单体合成聚合物化学反应聚合反应聚合反应 加成聚合反应（加成聚合反应（加聚反应加聚反应）缩合聚合反应（缩合聚合反应（缩聚反应缩聚反应）8.5.3 高分子化合物合成高分子化合物合成第39页加聚反应加聚反应仅由一个单体参加加聚反应称为仅由一个单体参加加聚反应称为均聚反应均聚反应。均聚反应反应产物叫均聚反应反应产物叫均聚物均聚物由两种或两种以上单体参加加聚由两种或两种以上单体参加加聚反应称为共聚反应。反应称为共聚反应。共聚反应产共聚反应产物叫共聚物。物叫共聚物。共聚物往往可兼具两种或两种以上均聚物一些优异性能，所以共聚物往往可兼具两种或两种以上均聚物一些优异性能，所以经过共聚方法能够改进产品性能经过共聚方法能够改进产品性能。加聚反应加聚反应由一个或各种单体相互加成，或由环状化合物开由一个或各种单体相互加成，或由环状化合物开环相互结合成聚合物反应。环相互结合成聚合物反应。均聚反应均聚反应共聚反应共聚反应1加聚反应第40页缩聚反应缩聚反应由一个或各种单体相互缩合生成高聚物，同时有由一个或各种单体相互缩合生成高聚物，同时有低分子物质（如水、卤化氢、氮、醇等）析出反应。低分子物质（如水、卤化氢、氮、醇等）析出反应。比如癸二酸和己二胺合成为尼龙比如癸二酸和己二胺合成为尼龙-610反应：反应：2缩聚反应第41页高分子化合物分子链结构形态有三种：线型、支链型和体型。1.高分子链结构形态8.5.4 8.5.4 高分子化合物结构与性能高分子化合物结构与性能线形聚合物分子含有长链结构。体型聚合物是由线型聚合物彼此贯通、重迭和缠结在一起而形成。支链型聚合物分子主链上含有一定数量侧链。第42页 高分子化合物高分子链上存高分子化合物高分子链上存在着许多单键。主键上单键可绕在着许多单键。主键上单键可绕其邻近单键（以其为轴）作旋转其邻近单键（以其为轴）作旋转运动，这种现象称为单键内旋转。运动，这种现象称为单键内旋转。图85 单键内旋转示意图2.高分子链中单键内旋转和键柔顺性 分子链中以单键相连相邻两链分子链中以单键相连相邻两链节之间还能够保持一定键角而旋转，节之间还能够保持一定键角而旋转，所以，一个分子链在无外力作用时所以，一个分子链在无外力作用时会有众多分子空间形态，绝大部分会有众多分子空间形态，绝大部分为卷曲状。为卷曲状。高分子链这种强烈卷曲高分子链这种强烈卷曲倾向称为（分子）链柔顺性倾向称为（分子）链柔顺性。它对。它对高聚物弹性和塑性等有主要影响。高聚物弹性和塑性等有主要影响。第43页 同一高聚物能够兼有同一高聚物能够兼有晶态晶态和和非晶态两种结构非晶态两种结构。高聚物含晶体高聚物含晶体结构质量百分数称结晶度。结构质量百分数称结晶度。聚合物中结晶性聚合物中结晶性和非结晶区和非结晶区3非晶态高分子化合物力学状态非晶态高分子化合物力学状态常温下处于固态聚合物，依据其分子链在空间排列情况可分为晶态和非晶态。晶态高聚物中，分子链排列规则；非晶态高聚物中，分子链堆砌是无规则。高聚物中结晶性区域称为结高聚物中结晶性区域称为结晶区，非结晶区域称非结晶区。晶区，非结晶区域称非结晶区。第44页玻璃态玻璃态 温度较低时高分子热运动和链节自由旋转都很小，分温度较低时高分子热运动和链节自由旋转都很小，分子链节或整个分子链无法产生运动，高聚物展现如玻璃体状固子链节或整个分子链无法产生运动，高聚物展现如玻璃体状固态。比如常温下塑料。态。比如常温下塑料。非晶态高聚物物理形态：非晶态高聚物随温度改变，从固非晶态高聚物随温度改变，从固态逐步变为液态过程中出现三种不一样力学状态，即玻璃态、态逐步变为液态过程中出现三种不一样力学状态，即玻璃态、高弹态高弹态、粘流态、粘流态。高弹态高弹态 链节能够较自由地旋转，但整个分子链不能移动。比链节能够较自由地旋转，但整个分子链不能移动。比如常温下橡胶。高弹态是高聚物所独有罕见一个物理形态，在如常温下橡胶。高弹态是高聚物所独有罕见一个物理形态，在较小外力作用下，能产生很大形变，除去外力后能可逆恢复原较小外力作用下，能产生很大形变，除去外力后能可逆恢复原状，表现出很高弹性。状，表现出很高弹性。粘流态粘流态 高聚物分子链节能够自由地旋转，整个分子链也能自由高聚物分子链节能够自由地旋转，整个分子链也能自由移动，从而成为能流动粘液，比液态低分子化合物粘度要大得多，移动，从而成为能流动粘液，比液态低分子化合物粘度要大得多，又称为塑性态。比如胶粘剂或涂料。又称为塑性态。比如胶粘剂或涂料。第45页粘流化温度粘流化温度 由高弹态向粘流态转变温度，用由高弹态向粘流态转变温度，用Tf 表示。表示。塑料与纤维塑料与纤维:要求要求Tg 高，高，Tf 低（较低（较耐热，加工成型温度不高）。耐热，加工成型温度不高）。橡胶：橡胶：要求要求Tg 低，低，Tf 高（耐寒又高（耐寒又耐热）。耐热）。玻璃化温度玻璃化温度 由高弹态向玻璃态转变温度，用由高弹态向玻璃态转变温度，用Tg 表示。表示。非晶态聚合物形变非晶态聚合物形变温度曲线温度曲线通常将通常将Tg高于室温高聚物称为高于室温高聚物称为塑料；塑料；Tg低于室温高聚物称为低于室温高聚物称为橡胶。橡胶。Tg是塑性材料最高使用温度。当温度高于Tg时，材料会发生较大形变或断裂。Tg是橡胶最低使用温度当温度。当温度低于Tg时，材料会变脆。第46页一些非晶态高聚物一些非晶态高聚物Tg和和Tf值：值：聚氯乙烯聚氯乙烯 Tg=81 Tf=175聚苯乙烯聚苯乙烯 Tg=100 Tf=135聚丁二烯聚丁二烯(顺丁橡胶顺丁橡胶)Tg=-108 天然橡胶天然橡胶 Tg=-73 Tf=1224.高分子化合物性能1 1力学强度力学强度力学强度是指材料抵抗外力破坏能力，通常驻机构用抗拉、力学强度是指材料抵抗外力破坏能力，通常驻机构用抗拉、抗压、抗弯曲、抗冲击等强度来衡量。主要决定于高分子主抗压、抗弯曲、抗冲击等强度来衡量。主要决定于高分子主链化学键、聚合度、结晶度分子链之间作用力大小。链化学键、聚合度、结晶度分子链之间作用力大小。(1)聚合度增大，有利于增加分子链间作用力，可使拉伸强度聚合度增大，有利于增加分子链间作用力，可使拉伸强度与冲击强度等有所提升。与冲击强度等有所提升。第47页(2)极性取代基极性取代基或链间能形成或链间能形成氢键氢键时，能增加分子链之间作用力时，能增加分子链之间作用力而提升其强度。而提升其强度。强度强度：天然橡胶（：天然橡胶（M r=20万）万）丁苯橡胶（丁苯橡胶（M r=45万）万）拉伸强度拉伸强度:聚氯乙烯聚氯乙烯(含极性基团含极性基团-Cl)聚乙烯聚乙烯 (3)适度交联适度交联有利于增加分子链之间作用力。有利于增加分子链之间作用力。如聚乙烯交联后，冲击强度可提升如聚乙烯交联后，冲击强度可提升34倍。倍。(4)在结晶区内分子链在结晶区内分子链排列紧密有序排列紧密有序，可使分子链之间作用力增，可使分子链之间作用力增大，机械强度也随之增高。大，机械强度也随之增高。机械强度机械强度:高结晶聚乙烯高结晶聚乙烯 低结晶聚乙烯低结晶聚乙烯第48页(5)主链主链含苯环含苯环或侧链引入芳环、杂环取代基等高聚物，其强度或侧链引入芳环、杂环取代基等高聚物，其强度和刚性比含脂肪族主链高聚物要高。和刚性比含脂肪族主链高聚物要高。强度强度：芳香尼龙芳香尼龙(如芳纶如芳纶-1313)普通尼龙普通尼龙第49页高分子化合物通常以高分子化合物通常以共价键共价键结合，普通不存在自由电子和离子，结合，普通不存在自由电子和离子，所以所以高聚物通常是很好绝缘体高聚物通常是很好绝缘体，可作为绝缘材料。，可作为绝缘材料。高聚物极性越小，其绝缘性越好。高聚物极性越小，其绝缘性越好。非极性高聚物非极性高聚物 分子链节结构对称高聚物，如聚乙烯，聚四氟分子链节结构对称高聚物，如聚乙烯，聚四氟乙烯等。乙烯等。极性高聚物极性高聚物 分子链节结构不对称高聚物，如聚氯乙烯，聚酰分子链节结构不对称高聚物，如聚氯乙烯，聚酰胺等。胺等。例：例：试比较以下高聚物电绝缘性：试比较以下高聚物电绝缘性：聚四氟乙烯聚四氟乙烯 聚氯乙烯聚氯乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯2)电学性能第50页电绝缘材料高聚物可分为：电绝缘材料高聚物可分为：（1）链节结构对称且无极性基团链节结构对称且无极性基团高聚物，如聚乙烯，聚四氟高聚物，如聚乙烯，聚四氟乙烯，对直流电和交流电都绝缘，可用作高频电绝缘材料。乙烯，对直流电和交流电都绝缘，可用作高频电绝缘材料。（2）无极性基团，但链节结构不对称高聚物无极性基团，但链节结构不对称高聚物，如聚苯乙烯，天，如聚苯乙烯，天然橡胶等，可用做中频电绝缘材料。然橡胶等，可用做中频电绝缘材料。（3）链节结构不对称且有极性基团高聚物链节结构不对称且有极性基团高聚物，如聚氯乙烯，聚酰，如聚氯乙烯，聚酰胺，酚醛树指等，可用做低频或中频电绝缘材料。胺，酚醛树指等，可用做低频或中频电绝缘材料。第51页分子极性可用相对介电常数分子极性可用相对介电常数衡量，通常非极性高聚物衡量，通常非极性高聚物2，弱极性或中等极性高聚物弱极性或中等极性高聚物24，强极性高聚物，强极性高聚物4。高聚物 高聚物 聚四氟乙烯 2.0 聚氯乙烯 3.23.6 聚丙烯 2.2 聚甲基丙烯酸甲酯 3.33.9 低密度聚乙烯 2.252.35 硅树脂 2.754.20 高密度聚乙烯 2.302.35 尼龙-66 4.0 聚苯乙烯 2.453.10 酚醛树脂 5.0 6.5 表表7.3 7.3 常见高聚物相对介电常数常见高聚物相对介电常数第52页静电现象静电现象 两种电性不一样物体相互接触或磨擦时，会有电两种电性不一样物体相互接触或磨擦时，会有电子转移而使一物体带正电荷，另一个物体带负电荷现象。子转移而使一物体带正电荷，另一个物体带负电荷现象。静电现象含有两面性，它应用于静电印刷、油漆喷涂和静电分静电现象含有两面性，它应用于静电印刷、油漆喷涂和静电分离等。但静电往往是有害，比如腈纶纤维起毛球、吸灰尘；粉离等。但静电往往是有害，比如腈纶纤维起毛球、吸灰尘；粉料在干燥运转中会结块等。料在干燥运转中会结块等。惯用抗静电剂是一些惯用抗静电剂是一些表面活性剂表面活性剂，其主要作用是提升高聚物表，其主要作用是提升高聚物表面电导性，使之快速放电，预防电荷积累。面电导性，使之快速放电，预防电荷积累。另外，在高聚物中填充导电填料如炭黑、金属粉、导电纤维等另外，在高聚物中填充导电填料如炭黑、金属粉、导电纤维等也一样起到抗静电作用。也一样起到抗静电作用。第53页高聚物主要由高聚物主要由C-CC-C、C-HC-H、C-OC-O等牢靠共价键连接而成，含活泼基等牢靠共价键连接而成，含活泼基团较少，且分子链相互缠绕，使分子链上不少基团难以参加反团较少，且分子链相互缠绕，使分子链上不少基团难以参加反应，因而应，因而普通化学稳定性较高普通化学稳定性较高。（1 1）稳定性）稳定性 一些含一些含 高聚物不耐水，高聚物不耐水，在酸或碱催化下会与水反应。比如，聚酰胺与水反应：在酸或碱催化下会与水反应。比如，聚酰胺与水反应：高聚物普通化学稳定性好，耐酸碱腐蚀，但不耐高温，易老化。高聚物普通化学稳定性好，耐酸碱腐蚀，但不耐高温，易老化。3）高分子化合物老化与预防第54页老化是指高聚物及其材料在加工、贮存和使用过程中，长久受化学、物理（热、老化是指高聚物及其材料在加工、贮存和使用过程中，长久受化学、物理（热、光、电、机械等）以及生物（霉菌）原因综合影响，发生光、电、机械等）以及生物（霉菌）原因综合影响，发生裂解裂解或或交联交联，造成性，造成性能变坏能变坏现象现象。比如，塑料制品变脆、橡胶龟裂、纤维泛黄、油漆发粘等。比如，塑料制品变脆、橡胶龟裂、纤维泛黄、油漆发粘等。老化是物理性质变坏不可逆过程。主要有两种过程：老化是物理性质变坏不可逆过程。主要有两种过程：降解降解 链断裂，Mr变小 发粘、变软、丧失机械强度交联交联 线型变体型变硬、变脆、丧失弹性，如天然胶、聚氯乙烯老化如天然胶、聚氯乙烯老化若若在在高高聚聚物物分分子子链链中中引引入入较较多多芳芳环环、杂杂环环结结构构，或或在在主主链链或或支支链链中中引引入入无无机机元元素素（如硅、磷、铝等），均可提升其热稳定性。（如硅、磷、铝等），均可提升其热稳定性。为了延缓光、氧、热对高聚物老化作用，通常可在高聚物中加入各类为了延缓光、氧、热对高聚物老化作用，通常可在高聚物中加入各类光稳光稳定定剂剂、抗抗氧氧剂剂（芳芳香香族族胺胺类类如如二二苯苯胺胺 和和酚酚类类等等），或或热热稳稳定定剂剂（如硬脂酸盐等）。（如硬脂酸盐等）。（2）老化第55页8.6复合材料8.6.1纤维增强树脂基复合材料8.6.2纤维增强金属基复合材料8.6.3纤维增强陶瓷基复合材料第56页假如两种或两种以上不一样材料经过复合工艺组成新复合材料，它既能保持原来材料优点，又能克服单一材料缺点。所以复合材料是在三大材料基础上发展起来新材料。复合材料品种繁多，按增强体物质形态可分为：颗粒增强复合材料、夹层增强复合材料和纤维增强复合材料。当前发展较快是纤维增强复合材料。按基体有可分为三类：树脂基复合材料，金属基复合材料和陶瓷基复合材料。8.6复合材料第57页8.6.1 纤维增强树脂基复合材料 1.玻璃钢玻璃钢是由玻璃纤维和不饱和聚酯，环氧树脂，酚醛树脂，有机硅树脂等复合而成。玻璃钢不但强度高，质量轻，绝缘性能好，而且耐腐蚀，抗冲击性强。它已广泛应用于飞机，汽车，轮船，建筑，石油化工设备和家俱等行业。2.碳纤维增强塑料碳纤维是将有机纤维在200300空气中加热，使其氧化。再在10001500稀有气体中炭化制得，含有耐高温、质轻、硬度大和强度高等特点。第58页8.6.2纤维增强金属基复合材料 采取高强度、耐热纤维与金属组成金属基复合材料，既可提升强度，降低相对密度。基体金属使用较多是铝、镁、钛以及一些合金。碳纤维是金属基复合材料中应用最广增强材料。第59页8.6.3纤维增强陶瓷基复合材料 纤维增强陶瓷基复合材料能够增加陶瓷韧性，这是处理陶瓷脆性路径之一。由纤维增强陶瓷做成陶瓷瓦片，用黏接剂贴在航天飞机机身上，使航天飞机能安全穿越大气层返回地球。第60页8.7液晶材料8.7.1相转变和液晶相8.7.2液晶种类8.7.3液晶特征与用途第61页8.7 液晶材料 液晶是介于固态与液态之间各向异性流体，是发觉较晚一个物质状态。液晶，作为一个新物态和新材料出现含有其主要意义。8.7.1 相转边和液晶相假如组成固体分子含有显著几何形态各向异性，它存在两种有序性;分子位置有序性和分子排列取向有序性。把处于固相这类物质逐步加热以增大分子动能，当到达一定温度，这种分子位置和取向有序固体物质将经过两种路径变成各向同性液体。一个是物质保持固态，不过分子取向有序性先遭到破坏，到更高温度才破坏位置有序性而形成各向同性液体，称为塑晶。第62页 另一个是物质先失去位置有序性而形成液体，不过保留取向有序，直至更高温度才深入破坏进入取向有序而形成各向性液体。这类物质在位置有序受到破坏进入液态时，因为存在分子取向有序性，所以它们物理性质依然是各向异性，这种各向异性液体就是液晶。液晶是自然界两大基础标准流动性和有序性有机结合，人们又把液晶形象称为“流动晶体”。8.7.2液晶种类 依据结构和分子排列，液晶可分为近晶向液晶、向列相液晶和胆甾向液晶。第63页 此三种类型液晶液晶态是经过升温到特定温区中显示，这一类液晶通称为极致液晶。还有一类被称为溶致液晶，有机分子溶解在溶剂中，当浓度足够高时，也能够展现液晶相。这种液晶广泛存在于自然界，尤其是生物体内。8.7.3 液晶特征与用途液晶是一种取向有序流体。一方面它是流体，其次又像晶体，具有双折射等各向异性，而且其结构会随外场（电、磁、热、力等）变化而变化，从而导致其各向异性性质变化。第64页 电光效应是液晶最有用性质之一。所谓电光效应是指在电场作用下，液晶分子排列方式发生改变，从而使液晶光学性质发生改变效应。绝大多数液晶显示器件工作原理都是基于这种效应。除液晶显示外，液晶还用于温度检测、应力检测、无损检测、医疗诊疗、色谱和各种波谱分析等。第65页第八章材料化学基础1.材料分类1）按用途分为）按用途分为结构材料结构材料和和功效材料功效材料 结构材料：利用材料强度、韧性、弹性等力学性能 功效材料：利用材料热、光、电、磁等物理和化学性能 2）按成份、特征分为：）按成份、特征分为：金属材料金属材料 黑金属：铁、铬、锰及合金 有色金属：除了黑金属以外金属 特殊金属材料 无机非金属材料无机非金属材料：硅酸盐材料、新型无机非金属材料（特种陶瓷）高分子材料高分子材料：塑料、纤维、橡胶以及涂料、黏合剂等 复合材料复合材料：由以上三种材料复合而成 第66页2.新型金属材料新型金属材料：储氢合金、形状记忆合金3.功效无机非金属材料功效无机非金属材料光导纤维：石英玻璃纤维（玻璃能够透光，但在传输过程中光损耗较大，而用石英玻璃纤维光损耗大为降低，故这种纤维称为光导纤维）超导陶瓷纳米陶瓷324有机高分子材料有机高分子材料1）高分子化合物又称高聚物。它是由一个或几个低分子化合物聚合而成化合物，分子量很大，普通约为104-106。2）形成高分子化合物低分子化合物叫做单体。高分子中重复结构单元叫做链节，重复结构单元数叫做链节数，即聚合度（DP）。3）高聚物按性能与用途分类，在工程上可分为塑料、纤维、橡胶；按热性能不一样又可分为热塑性聚合物、热固性聚合物。第67页4）一个或各种含有不饱和键单体在一定条件下（光照、加热或化学试剂作用）聚合，直到得到高分子化合物反应称为加聚反应；由加聚反应形成高聚物叫加聚物；由一个单体参加加聚反应称为均聚反应，均聚反应产物叫均聚物，由二种或二种以上单体参加加聚反应称为共聚反应，反应产物称为共聚物。5）含有二个或二以上官能团一个或各种单体之间缩合，失去低分子化合物（普通是H2O、NH3、醇、卤化氢等）而变为高聚物过程称为缩聚反应。6）高分子链结构形态有三种：线型、支链型、和体型。第68页7）非晶态高分子化合物在恒压下，形变与温度曲线出现三种不一样状态：玻璃态、高弹态、粘流态。高聚物从高弹态返回到玻璃态转变温度叫做玻璃态温度，通惯用Tg表示，高聚物从高弹态向粘流态转变温度叫粘流化温度，通常有Tf表示。玻璃态：TTTg。分子动能不大，大分子不动，链段可动。受外力，大分子或蜷曲或伸展；除去外力，分子复原，属高弹形变。高聚物柔软，有弹性。是橡胶使用状态。粘流态：TTf。分子动能大，大分子可运动，含有流动性和可塑性，不会复原，属塑性变形。是高聚物工艺状态；第69页玻璃态（对塑料）、高弹态（对橡胶）是使用状态，粘流态是工艺状态。塑料Tg高于室温。Tg是塑料使用最高温度；当温度高于Tg时，材料会发生较大形变或断裂。对于塑料Tg越高高越好。橡胶Tg低于室温。Tg是橡胶使用最低温度；当温度低于Tg时材料会变脆，橡胶Tg越低低越好。为便于加工，Tf应低些。如塑料，Tf-Tg差应小;为利于使用，Tf应高些。如橡胶第70页1.高聚物-CF2-CF2-2500聚合度是度 。是经过 反应而形成。2.高分子化合物又称。它是由。3.叫做单体。叫做链节，叫做链节数。4.按性能与用途分类，在工程上高聚物可分为、；按热性能不一样又可分为、。5.称为加聚反应；叫加聚物；称为共聚物；称为缩聚反应。6.高分子链结构形态有三种：、。7.高分子化合物三态是，、。Tg、Tf含义分别是、。塑料Tg越越好；橡胶Tg越越好8.高分子化合物力学强度是指。第71页5、复合材料、复合材料按增强体物质形态可分为：颗粒增强复合材料；夹层增强复合材料；纤维增强复合材料。当前发展较快是纤维增强复合材料。按基体有可分为三类：树脂基复合材料；金属基复合材料；陶瓷基复合材料。第72页6、液晶材料、液晶材料液晶是一类取向有序流体，含有各向异性。人们依据分子排列不一样把液晶分为胆甾相液晶、近晶相液晶、向列相液晶。液晶态受温度条件控制液晶称为热致液晶；液晶态受控于浓度条件液晶称为溶致液晶。液晶电光效应是液晶最有用性质之一。是指在电场作用下，液晶分子排列方式发生改变，从而使液晶光学性质发生改变效应。绝大多数液晶显示器件工作原理都是基于这种效应。液晶在正常情况下，其分子排列很有秩序，显得清澈透明，一旦加上直流电场后，分子排列被打乱，一部分液晶变得不透明，颜色加深，因而能显示数字和图象。第73页