材料结构与性能之四大材料

金属材料无机非金属材料高分子材料复合材料四大材料第三节、材料的概况1、金属材料定义：由金属原子堆彻而成的材料特点：原子核较重，核外电子云较多，金属原子最外层电子处于自由运动状态，每个电子可和若干个电子随时作用形成金属键，从而形成金属材料导电原因：电子的定向运动金属：T↑→电阻率↑→电导率↓（电子热运动）半导体：T↑→电阻率↓→电导率↑（电子脱束缚）金属的特性（与高分子材料相比）无分子量有原子量强度、硬度高温变形有同位素抗冲击耐磨加工性能好铝合金钢材2、无机非金属材料传统无机非金属材料（硅酸盐材料）：水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料。新型无机非金属材料：半导体材料、超硬耐高温材料、发光材料等新型无机非金属材料的特性2.1.1超导材料材料在一定温度以下，其电阻为零的现象称为材料的超导电现象。在一定温度下具有零电阻超导电现象的材料，称为超导体（Superconductor）。目前我国能达到90k2.1新型无机非金属材料超导材料的晶体图像2.1.2高温结构陶瓷（1）高温结构陶瓷的种类：①氧化铝陶瓷：又称人造刚玉，具有熔点很高、硬度高的优点。可用于作坩埚、高温炉管、球磨机、高压钠灯管等。高压钠灯氧化铝陶瓷制品②氮化硅陶瓷：具有硬度极高、耐磨损、抗腐蚀和抗氧化能力等优点。可用于制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具、发动机部件等③碳化硼陶瓷：具有熔点高、硬度大的优点。广泛应用于工农业生产、原子能工业、宇航工业等氮化硅陶瓷制品碳化硼陶瓷制品优点：能经受高温、不怕氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等缺点：形变能力差、脆性大、韧性低，形变量约0.3%因裂纹、空隙、杂质等缺陷而导致碎裂发展方向：提高弹性，使形变达1%增加韧性增加形变量但不破损（2）高温结构陶瓷的优缺点及发展方向光导纤维（光纤）特点：传导光的能力非常强，抗干扰性能好，不发生电辐射等。应用：通讯、医疗、信息处理、传能传像、遥测遥控、照明等。2.1.3其他一些无机高分子材料发光材料：En、Sr、Ba等氧化物可制得发光材料发光产品3、高分子材料世界高分子材料年产量达1.5亿吨国内每年需2千多万吨，但实际生产能力才1千多万吨3.1从行业角度看分四类：⑴塑料通用塑料特种塑料高强超韧工程塑料超高分子量聚乙烯管材高强超韧工程塑料管聚乙烯薄膜制品降解薄膜：•淀粉填充•光降解•热降解光-生物降解塑料餐盒是成本最低且符合国家标准的理想替代品。它具有光降解和生物降解双重降解性能。降解时间可控，典型的产品20天坍塌，40天碎成小片，60天成粉，最后完全被细菌和真菌降解。实例特种薄膜成型在塑料薄膜的加工中，挤出吹塑薄膜（Bubblefilm）、流延薄膜（Castingfilm）和共挤出薄膜是目前经常使用的主要加工方法。但是对于一些特殊材料、如聚乙烯醇（PVA）、聚氟乙烯（PVF）、聚四氟乙烯（PTFE）、（UHMWPE）等材料、由于这些材料具有特殊的性能、是无法用这些方法加工成膜的。实例PVA薄膜生产方法简介熔融挤出吹膜投资小、产量大、成本低且性能优良PVA树脂增塑剂润滑剂颜色混合双螺杆挤出机熔融挤出造粒单螺杆挤出机熔融吹塑薄膜PVA挤出吹膜工艺流程实例熔融挤出吹塑PVA薄膜实例PVA熔融挤出生产薄膜洗衣袋、洗涤剂袋、高尔夫球实例PVA薄膜特征优异的生物降解性并且无毒，它能被微生物(假单细胞菌)分解为二氧化碳和水，并且降解速度快，不污染环境对氧气、氮气、碳酸气体等具有优异的阻隔性能。具有优异的耐油性、耐有机溶剂的性能。优异的抗静电性能和防尘性能。良好的水溶解性能。具有较高的强度以及良好的抗撕裂、抗冲击性能。良好的热封性能，在180～200℃下热封。良好的可印刷性。实例聚氟乙烯溶胶挤出（PolyvinylFluoride,PVF）耐化学腐蚀性疏水性耐磨性耐老化性不粘性在氟聚合物中，PVF的含氟量最低，密度最小，故而价格也最便宜，所有这些特性使得PVF广泛应用于建筑、化工、电子等许多工业领域。实例溶胶挤出聚氟乙烯薄膜的加工技术潜溶剂技术的应用所谓潜溶剂，是在室温下并不对聚氟乙烯有任何溶解能力，但在100℃以上高温下能对聚氟乙烯有活性，可以部分溶解。所用的潜溶剂：二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺、邻苯二甲酸二甲酯、碳酸丙烯酯、硝酸乙烯酯、γ-丁内酯、异佛尔酮实例PVB膜片挤出聚乙烯醇缩丁醛（PVB）PVB薄膜把两块普通玻璃粘结在一起，或是把一层普通玻璃与一层有机玻璃，或把普通玻璃与钢化玻璃粘结在一起做成安全玻璃实例市场前景将聚乙烯醇缩丁醛（PVB）树脂与增塑剂按一定比例混合后挤出、压延制得的薄膜，特别适用于汽车、火车、飞机、坦克、舰艇等挡风玻璃的中间夹层，也可作为建筑用安全玻璃，保险面罩，照相底版和复合钢板等固体粘结层，以及制造高层建筑门窗用的围边材料。建设部、国家发改委等4部门联合下发文件《建筑安全玻璃管理规定》（以下简称《规定》）显示，自2004年起，7层及7层以上建筑物外开窗、公共建筑物的出入口、门厅等部位必须使用安全玻璃实例⑵橡胶天然橡胶我国生产量不够多（主要产地：云南、广州、海南等）合成橡胶①顺丁橡胶②丁苯橡胶③丁基橡胶产地：北京房山的燕山化工厂催化剂：镍（环烷酸镍）、铝（丁基铝）、硼（三氟化硼）缺点：抗湿滑性差（不能用来做鞋底，轮胎等）产生应力剪切结晶①顺丁橡胶产地：兰州组成：丁二烯+苯乙烯缺点：共聚时两者无规排列，导致材料强度低优点：经硫化后可增加拉伸强度加碳黑反应后，可增加强度②丁苯橡胶优点：气密性好，可作轮胎内胎原理：分子式为，只有若干个连接组成，连段较短，其上的两个—CH3在空间上不断地运动，形成屋顶形态，使空气被挡住，无法进出主要产地：北京燕山、兰州、上海高桥化工厂、广东茂名华工产、岳阳③丁基橡胶H2CCCH3CH3n我校先进弹性体材料研究中心研究的一些项目和成果千吨级热塑性硫化橡胶（TPV）动态全硫化技术平台建设TPV粒料TPV生产线TPV汽车密封条实例绿色轮胎-100-80-60-40-200204060800.00.10.20.30.40.50.60.70.8S0S100tanδ图－2T/℃高tanδ低tanδTPV动态硫化技术实例•Core:PSPMMAPAN•orcrosslinkedPSShell:PIPBPBARubbermatrix,suchasNRafterdryingaftermixingWithrubberaggregatesThedesignof“idealnano-filler”合成的两种新型纳米填料实例合成的两种新型纳米填料白炭黑纳米双相填料炭黑实例Authors.CompositesScienceandTechnology.2004.ANovelSeparatedStructure实例减振密封圈侧裙防护板顶窗电磁屏蔽密封条中子防护服大炮密封材料发动机油管国防军工技术平台及生产基地建设橡胶履带板负重轮发动机密封材料实例民用重大技术平台建设EPDM微孔橡胶体育跑道地铁用EPDM微孔橡胶垫板已在中原油田、辽河油田试用实例无卤阻燃电缆实例无铅防护服实例⑷涂料主要用在：将庭装修、建筑、宇航等方面应用于美国B-2隐身轰炸机的特殊配方的涂料，可降低轰炸机的雷达反射信号⑶纤维涤纶、尼龙、氯纶、维尼龙等3.2从学科角度看高分子材料的分类⑴从聚合机理分连锁聚合逐步聚合自由基聚合阴离子聚合阳离子聚合配位聚合（d轨道的配位元素）缩合聚合（比如：涤纶）开环聚合（不产生小分子）聚合的一些特点a)丁基锂引发苯乙烯聚合，每根分子链分子量都相同，长度都一样这是因为丁基锂是以离子对的形式引发聚合，锂与C之间有一定的距离，正好适合一个单位进入b)缩合聚合中刚一开始单体与单体之间反应几率都是50%，再往后就不一样了c)逐步聚合的分子量较宽d)阳离子聚合：很低的温度下反应，温度越低反应越快为什么？因为单体总的活化能（引发活化能+链增长活化能+连终止活化能）△E＞0-dM/dt=K[M]k=Kae△E/RT所以T↓→k↑→速度↑e)连锁聚合中反应过程的特征：引发→增长→转移→终止其中的阴离子聚合可作活性聚合f)逐步聚合中反应过程的特征：催化剂催化→增长→终止终止方法：①其中一种官能团过量②或外加试剂封闭端基g)PVC生产中，分子链向容器壁转移较频繁，导致器壁上结有很厚的高分子层，使反应温度不好控制，需要人工清理h)自由基聚合进行表面处理后，可达到活性聚合（可控自由基活性聚合）光聚合也可做成活性聚合⑵从聚合方法分本体聚合（散热不好，有自动加速效应）溶液聚合悬浮聚合（不断搅拌，外加悬浮剂）乳液聚合如何避免自动加速效应？边搅拌边反应，先进行预聚，以躲过自动加速效应，再倒入容器中成型，加温接着聚合聚合反应场的大小悬浮聚合的反应场是毫米级的本体和溶液聚合的反应场不论大小乳液聚合的反应场是微米级的最近世界上正在研究纳米级的反应场纳米材料具有大的比表面，随着电子的暴露已显示出量子效应4、复合材料4.1定义：复合材料是指那些含有多个组分，且不同的组分有机地结合在一起、具有新的材料性能的新材料4.2特点：典型的复合材料是在一个特定的基体中（matrix），填充有一种或多种填充体（filler）既能保留原组分或材料的主要特色，并通过复合效应获得原组分所不具备的性能；可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能4.3按基体特征分类①高分子基复合材料(环氧、酚醛、尼龙、聚酰亚胺、PEEK等）②无机非金属基复合材料（陶瓷、玻璃、水泥、碳基等）③金属基复合材料（铜、铝、镍、镁等）玻璃纤维增强HDPE目的是制备一种用于输油管道的高密度聚乙烯管材用料HDPE/GFSEM实例4.4.1组成特点（1）组成类型---填充剂+基体材料（2）填充剂为碳纤维---短或长纤维单向排列、多向排列编织或非编织物（3）基体—聚合物、金属、碳、陶瓷或混合物4.4一种典型的复合材料介绍——碳纤维复合材料三明治式外，一般为三维连续式4.4.2性能特点（1）碳纤维：轻质、高强、高模的纤维状材料优异的高比强度、高比模量随意裁切长度、多维编织，导电、导热，耐腐蚀，热膨胀率小等（2）碳纤维/树脂基复合材料：弥补了高分子树脂强度、钢度等方面的缺陷，可制成有广泛用途的高性能材料（3）碳纤维/金属基复合材料：碳纤维降低了金属材料的热膨胀系数，增加了材料的强度和模量，降低了密度，有可能促进复合材料的导电性（4）碳纤维/陶瓷基复合材料：很佳的抗氧化性碳纤维改善陶瓷材料的脆性等弱点拓展了陶瓷材料在高温环境领域的应用面（5）碳纤维/碳基复合材料具有最高的比强度、最高的比模量、最高的比热导系数热膨胀系数几乎为零既具有碳物质的全部特点，又具有更高强度、更致密、更好的抗热冲击性脱胶CF石墨化表面处理上浆GF⑴高模量炭纤维4.4.3我们学校的一些研究成果实例中试线实景图高模量炭纤维成品丝实例BHM高模量炭纤维与东丽M40拉伸性能对比样品抗拉强度（GPa）抗拉模量（GPa）伸长率（%）测试单位BHM3.57374*0.99703所M402.68374*0.74BHM3.644030.90北京化工大学M402.423900.60*:表观模量实例性能M40B/4211BHM-2/4211BHM-2/5224拉伸强度（MPa）870874964拉伸模量（GPa）188231276弯曲强度（MPa）105910941360弯曲模量（GPa）162184212层间剪切（MPa）55.960.6----数据提供五院四部炭纤维/环氧树脂复合板性能如表所示。从中可以看出BHM型高模量炭纤维稍好于日本M40B炭纤维，可以取代之。实例CFBHMM40B纤维表面及断口形貌实例BHM型高模量炭纤维的制备技术成熟，在炭纤维原料性能和质量保证的前提下，所得纤维性能：抗拉强度（σ）：≥2.8GPa；离散系数（Cv）：≤6%；抗拉模量（E）：≥400GPa；离散系数（Cv）：≤3%；断裂伸长率（ε）：≥0.7%；离散系数（Cv）：≤6%；层间剪切强度（ILSS）：≥65MPa；