航空航天材料工程-2-非金属材料

L/O/G/O航空航天材料工程AEROSPACEMATERIALSENGINEERING第6章非金属材料及其改性2012-4-13内容提纲非金属材料分类、结构和特点6.1非金属材料的改性及其强化6.2非金属材料在航空航天中的应用6.3非金属材料分类、结构和特点复合材料金属材料非金属材料有机聚合物•纤维•橡胶•塑料无机材料•水泥•玻璃•陶瓷工程材料按组织成分分类在航天航空工程中，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。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•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–橡胶–纤维–其它（涂料、粘合剂）三大合成材料6.1.1高分子材料：2.分类高分子材料：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。杂链高分子6.1.1高分子材料：2.分类聚己二酰己二胺（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高分子材料：2.分类高分子材料：2.分类单体聚合物聚合反应•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：3.聚合方式高分子链的柔顺性：•一个典型的线形高分子链长度与直径之比是很大的。•例如聚异丁烯大分子所以•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”。DLnmDnmL5.0,105.244105DL6.1.1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.高分子结构高分子材料：4.高分子结构高分子结构高分子链结构高分子聚集态结构近程结构远程结构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）高分子链的形态（构象）晶态非晶态取向态液晶态织态高分子材料：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。•大分子链的形态有:-线型-支化-网状6.1.1高分子材料：4.2大分子链的形态（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）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。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。高分子材料：5高聚物的物理、力学状态玻璃态：•TTg时，高聚物处于玻璃态。•高聚物大分子链热运动处于停止状态。•力学性能与无机的低分子材料相似，有一定刚度。•是塑料的应用状态。高分子材料：5高聚物的物理、力学状态高弹态：•TgTTf时，高聚物处于高弹态。•分子链动能增加，部分连段可进行内旋运动，而整个分子链并没有运动。•受外力作用时，原卷曲链沿受力方向伸展，产生弹性变形。•是橡胶的应用状态。高分子材料：5高聚物的物理、力学状态粘流态：•TfTTd时，高聚物处于粘流态。•大分子链可自由运动，是高聚物变成流动的黏液。•是高聚物成型加工的工艺状态。高分子材料：5高聚物的物理、力学状态皮革态：高聚物中有部分结晶区域时，当温度大于Tg但小于晶体熔点时，非结晶区为高弹态，而结晶区由于分子链无法产生内旋运动而仍具有较高刚度和硬度，两者复合成一种既韧又硬的皮革态。几个实例：•LDPE(LowDensityPE)（自由基聚合）这种聚合方式易发生链转移，则支链多，密度小，较柔软。用于制食品袋、奶瓶等等•HDPE（配位聚合，Zigler催化剂）这种聚合方法不同与前，获得的是几乎无支链的线型PE，所以密度大，硬，规整性好，结晶度高，强度、刚性、熔点均高。可用作工程塑料部件，绳缆等等密度熔点结晶度用途低密度聚乙烯（LDPE）0.91-0.94105ºC60-70%薄膜（软性）包装膜、保鲜膜、地膜、棚膜等高密度聚乙烯（HDPE）0.95-0.97135ºC95%瓶、管、棒等（硬性）装食品油、酒类、汽油及化学试剂的桶，玩具，给水、输气、灌溉、吸管、笔芯等用的管材LDPE和HDPE的性能和用途比较•适用于家用电器制品，如电视机外壳、冰箱内衬、吸尘器等，以及仪表、电话、汽车工业用塑料制品。应用于沥青改性、粘结剂、鞋底材料、汽车方向盘和保险杠高分子材料：6.性能特点（1）力学性能•比强度高•高弹性和低弹性模量•低硬度（2）物理性能•电绝缘性优良•耐热性差•导热性低、膨胀大高分子材料：6.性能特点（3）化学性能•在酸、碱、盐溶液中耐腐蚀性较强•在特定的有机溶剂中发生软化和溶胀等现象。（4）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。•不可逆•原因：①分子链交联或支化，使其变硬变脆②大分子链断裂，相对分子量下降，发生降解高分子材料：7.工程塑料塑料：是以高分子聚合物为基本原料，加入一定量的添加剂而组成的有机高分子材料。（1）塑料的组成1）树脂：是塑料的主要组分，决定塑料的类型和基本性能。2）填料（增强或增韧）：是塑料改性的主要部分。主要包括无机颗粒或纤维。3）固化剂：使热固性树脂受热时产生交联作用，形成体型结构。4）增塑剂：提高塑性和加工性能。5）阻燃剂：阻止燃烧或造成自熄。6）稳定剂、润滑剂、着色剂（2）分类1）按塑料中合成树脂的分子结构分类•热塑性塑料：树脂的大分子链形状是线型或支链型结构。-例如：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、有机玻璃等。-优点：易加工成型，力学性能较好-缺点：耐热性和刚性差•热固性塑料：树脂在受热之初大分子为线型结构，可塑制成一定形状，但受热后，线型大分子链间发生交联反应，分子链变为网状结构，随着交联反应进一步发展，使树脂既不能溶解也不能熔化。-例如：酚醛树脂、环氧树脂、有机硅树脂-优点：耐热性好、受热受压不易变形-缺点：只能塑制一次，废料不可回收再利用6.1.1高分子材料：7.工程塑料）按塑料的性能和用途分类•通用塑料：产量大（占塑料总产量的75%以上）、用途广、价格低廉的塑料。包括6大品种：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料、和氨基塑料。•工程塑料：强度较高、刚性较大、可以代替钢铁和非铁合金制造机械零件和工程结构的塑料。包括聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、有机玻璃和ABS树脂等。•特种塑料：耐高温或具有特殊用途的塑料。包括氟塑料、有机硅树脂、环氧树脂、聚酰亚胺等。6.1.1高分子材料：7.工程塑料高分子材料：7.工程塑料（3）特性1）塑料的使用性能•物理性能：-密度小，1-2g/cm3-有一定透气性和透湿性-透明性、透光率较好-优良的消音、吸振性-电气绝缘性•化学性能：-良好的耐化学腐蚀性能-易降解和老化，耐候性、耐老化性、光稳定性较差。•力学性能：-强度、刚度比金属差，但比强度、比刚度较高-硬度较低，摩擦系数较小，可作为密封、耐磨和自润滑材料与金属相比，总体缺点：使