航空航天材料工程-2-非金属材料

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航空航天材料工程AEROSPACE MATERIALS ENGINEERING 第6章 非金属材料及其改性2012-4-13

内容提纲6.16.2 6.3非金属材料分类、结构和特点

非金属材料的改性及其强化

非金属材料在航空航天中的应用

6.1 非金属材料分类、结构和特点工程材料 按组织成分分类 金属材料 非金属材料 复合材料

有机聚合物 纤维 橡胶 塑料

无机材料 水泥 玻璃 陶瓷

在航天航空工程中，非金属材料一般不单独使用，主要作为复合材料的基 体或增强体材料。

6.1.1 高分子材料：1.概念高分子化合物(Polymer):是由千百个原子彼此以共价键结合 形成相对分子质量特别大、具有重复结构单元的有机化合物。

相对分子质量大(103-107)。 由于高分子多是由小分子通过聚合反应而制得的，因此也常被 称为聚合物或高聚物，用于聚合的小分子则被称为“单体”。 n(CH2 = CH2) → [ CH2-CH2 ]n单体

[ CH2-CH2 ]:链节 n:聚合度 M = nm,M为高分子聚合物的相对分 子量，m为链节的相对分子量

6.1.1 高分子材料：2.分类 按高分子链分： –碳链高分子 –杂链高分子 –元素有机高分子 按成品的性能与用途分 –塑料 三大合成材料 –橡胶 –纤维 –其它(涂料、粘合剂)

6.1.1 高分子材料：2.分类碳链高分子

分子主链全部由碳原子以共价 键相连接。 一般由加成聚合反应制得，如 PE、PP、PVC、PMMA等

6.1.1 高分子材料：2.分类杂链高分子

聚己二酰己二胺(聚酰胺66、尼龙66)数字表示单元链节中酸和胺的碳原子数 mp型聚酰胺是由二元酸HOOC—(C-H2)m-COOH与二元胺 H2N(CH2)pNH2制成的

聚己内酰胺(聚酰胺6、锦纶、尼龙6)由单体己内酰胺经开环聚合反应生成线型聚酰胺

涤纶(聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚酯) 分子主链除含有碳原子外，还含有O、N、S 等两种或两种以上原子并以共价键相连接。 一般由缩聚反应和开环聚合制得。

6.1.1 高分子材料：2.分类杂链高分子

聚苯硫醚

6.1.1 高分子材料：2.分类

6.1.1 高分子材料：3.聚合方式单体聚合反应

聚合物

聚合反应分类：– 按元素组成和结构变化：加聚，缩聚 – 按反应单体：均聚、共聚 – 按反应活性中心：自由基聚合和离子(阴、阳离 子)聚合 – 按反应类型：线形，开环，环化，转移，异构化

6.1.1 高分子材料：4. 高分子结构高分子链的柔顺性 ： 一个典型的线形高分子链长度与直径之比 L D 是很 大的。 L 2.5 104 nm, D 0.5nm 例如聚异丁烯大分子

所以 L D 5 104 这就是说，这个大分子长度是直径的5万倍。这样 一根细而长的“网丝”,在无外力作用下，不可 能是一条直线，而是自然的曲线。这就使得聚异 丁烯大分子有着“柔顺性”,也使聚异丁烯材料 有着它独特的“高弹性”。

6.1.1 高分子材料：4. 高分子结构 高分子的柔顺性的实质： 高分子的柔顺性的实质就是大量C-C单键的内旋转造 成的。 极端情况： 当高分子链上每个键都能完全自由旋转(自由联接 链),“链段”长度就是键长——理想的柔性链 (不存在)。 当高分子链上所有键都不能内旋转——理想的刚性 分子(不存在),“链段”长度为链长。

6.1.1 高分子材料：4. 高分子结构高 分 子 链 结 构 近 程 结 构 远 程 结 构晶态 化学组成 单体单元键合

单体高分子链的键接(交联与支化)单体单元主体构型(空间排列) 高分子的大小(聚合度、分子量)

高 分 子 结 构

高分子链的形态(构象)

高 分 子 聚 集 态 结 构

非晶态取向态 液晶态

织态

6.1.1 高分子材料：4. 1 高分子的大小 大分子链内原子间以共价键相连接，而大分子链之间的力为 范德华力。 相对分子量越大，则大分子间结合力越强，高分子化合物的 强度越高。 相对分子量超过100万的聚乙烯的抗拉强度比50万的高一倍。

6.1.1 高分子材料：4. 2大分子链的形态

大分子链的形态有: -线型 -支化 -网状

(1)线型大分子链 一般高分子是线型的。分子长链可以卷曲成团，也可以伸展 成直线，这取决于分子本身的柔顺性及外部条件。 线型高分子间无化学键结合，所以： - 在受力情况下分子间可以互相移动(流动) 塑性、弹性 - 可在适当溶剂中溶解或溶胀 可溶性 - 可反复软化、熔化又固化，易于加工成型 可熔性 例如聚氯乙烯和聚酯等热塑性树脂

(2)支链形高分子 由于加聚过程中有自由基的链转移发生， 形成支链，常易产生支化高分子。 支链的存在使线性高分子的性能钝化，如 熔点升高、黏度增加。

(3)网状(交联)大分子 大分子链之间通过支链或化学键形成了三维网络或体型结 构。 热固性：一经固化成型不得再次成型 耐热、机械强度高 但脆性大、硬度高，弹性和塑性很低，不能塑性加工 交联与支化有本质区别 支化(可溶，可熔，有软化点) 交联(不溶，不熔，可膨胀)

线型、支化、网状分子的性能差别 ： 线型分子：可溶，可熔，易于加工，可重复应

用， 一些合成纤维，“热塑性”塑料(PVC,PS等属此 类) 支化分子：一般也可溶，但结晶度、密度、强度 均比线型差 网状分子：不溶，不熔，耐热，耐溶剂等性能好， 但加工只能在形成网状结构之前，一旦交联为网 状，便无法再加工，“热固性”塑料(酚醛、环 氧树脂属此类)

6.1.1 高分子材料：4. 3 大分子的聚集态结构 高分子聚合物一般为固态或液态，无气态。 固态聚合物分为无定形和结晶型两种类型。 无定形聚合物：远程无序，近程有序 结晶型聚合物：具有晶区与非晶区

随着结晶度的提高，高聚物的密度、强度、硬度、刚度、熔点、 耐热性、化学惰性、及液气渗透性提高，而弹性、塑性、韧性 降低。

6.1.1 高分子材料：5 高聚物的物理、力学状态 温度不同高聚物处于不同的力学状态，表现的性能也不同。 线型非晶态高聚物有三种力学状态：玻璃态、高弹态、和粘流态。 体型高聚物交联密度低时，可有玻璃态和高弹态，没有粘流态；交联密 度大时，只有玻璃态。 完全结晶的高聚物无高弹态，当温度高于熔点时，直接从玻璃态融化成 粘流态。所以使用温度范围较宽。