机械工程材料第九章高分子材料精.ppt

机械工程材料第九章高分子材料第1页，本讲稿共23页第一节第一节 概述概述l一、高分子材料的基本概念一、高分子材料的基本概念l高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。常称常称聚合物聚合物或或高聚物高聚物。l高分子化合物的分子量一般高分子化合物的分子量一般104。l高分子化合物有天然的，也有人工合成的。工业用高分子高分子化合物有天然的，也有人工合成的。工业用高分子材料主要是人工合成的。材料主要是人工合成的。第2页，本讲稿共23页l1、高分子化合物的组成、高分子化合物的组成l由由简简单单的的结结构构单单元元重重复复连连接接而而成成。如如由由乙乙烯烯合合成成聚聚乙乙烯烯:CH2=CH2+CH2=CH2+-CH2-CH2-CH2-CH2-,CH2CH2 nl可简写成可简写成 n CH2=CH2 。l组成聚合物的低分子化合物称为组成聚合物的低分子化合物称为单体单体。l聚合物的分子为很长的链条，称为聚合物的分子为很长的链条，称为大分子链大分子链。CH2CH2 nl大分子链中重复结构单元大分子链中重复结构单元(如聚乙烯中如聚乙烯中 )称为称为链链节节。聚乙烯分子链聚乙烯分子链第3页，本讲稿共23页l2、高分子材料的分类、高分子材料的分类l 按用途按用途分塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、分塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、涂料等。涂料等。l 按聚合物反应类型按聚合物反应类型分为加聚物和缩聚分为加聚物和缩聚物。物。l 按聚合物的热行为按聚合物的热行为分为热塑性聚合分为热塑性聚合物和热固性聚合物物和热固性聚合物 l 按主链上的化学组成按主链上的化学组成分为碳链聚合物、分为碳链聚合物、杂链聚合物和元素有机聚合物杂链聚合物和元素有机聚合物 第4页，本讲稿共23页二、高分子材料的结构二、高分子材料的结构l1、大分子链的结构、大分子链的结构 l 大分子链的柔顺性大分子链的柔顺性 l大分子链主链共价键有一定键长和键角，保持键长和键角大分子链主链共价键有一定键长和键角，保持键长和键角不变时单键可任意旋转，称不变时单键可任意旋转，称单键的内旋转单键的内旋转。l内旋转使大分子链卷曲成各种不同形状，对外力有很大内旋转使大分子链卷曲成各种不同形状，对外力有很大的适应性，这种特性称为大分子链的的适应性，这种特性称为大分子链的柔顺性柔顺性。l柔顺性与单键内旋转的难易程度有关。柔顺性与单键内旋转的难易程度有关。第5页，本讲稿共23页l 大分子链的形状大分子链的形状l按照大分子链的几何形状，可将高分子化合物分为线按照大分子链的几何形状，可将高分子化合物分为线型结构、支链型结构和体型结构。型结构、支链型结构和体型结构。l线型结构高聚物的弹性、塑性好，硬度低，是热塑性线型结构高聚物的弹性、塑性好，硬度低，是热塑性材料。支链型结构近于线型结构材料。支链型结构近于线型结构。体型结构高聚物硬。体型结构高聚物硬度高，脆性大，无弹性和塑性，是热固性材料。度高，脆性大，无弹性和塑性，是热固性材料。第6页，本讲稿共23页l2、高分子的聚集态结构、高分子的聚集态结构l固态高聚物分为晶态和非晶态两大类，晶态为分子链排列规固态高聚物分为晶态和非晶态两大类，晶态为分子链排列规则的部分，而排列不规则的部分为非晶态。则的部分，而排列不规则的部分为非晶态。l一个大分子链可以穿过几个晶区和非晶区。一个大分子链可以穿过几个晶区和非晶区。晶区熔点、晶区熔点、密度、强度、硬度、刚性、耐热性、化学稳定性高，而弹密度、强度、硬度、刚性、耐热性、化学稳定性高，而弹性、塑性、冲击强度下降。性、塑性、冲击强度下降。第7页，本讲稿共23页三、高分子材料的力学状态三、高分子材料的力学状态 l1、线型非晶态高分子材料的力学状态、线型非晶态高分子材料的力学状态 l 玻璃态：玻璃态：低温下，链段不能运动。在外力作用下，只发低温下，链段不能运动。在外力作用下，只发生大分子原子的微量位移，产生少量弹性变形。生大分子原子的微量位移，产生少量弹性变形。l高聚物呈玻璃态的高聚物呈玻璃态的最高温度称玻璃化最高温度称玻璃化温度，用温度，用Tg表示。表示。用于这种状态的材料用于这种状态的材料有塑料和纤维。有塑料和纤维。线型非晶态高聚物的温度线型非晶态高聚物的温度-变形曲线变形曲线 第8页，本讲稿共23页l 高弹态：高弹态：温度高于温度高于Tg，分子活动能力增加，受力时产生，分子活动能力增加，受力时产生很大弹性变形。用于这种状态高聚物是橡胶。很大弹性变形。用于这种状态高聚物是橡胶。l 粘流态：粘流态：由于温度高，分子活动能力很大，在外力作由于温度高，分子活动能力很大，在外力作用下，大分子链可以相对滑动。粘流态是高分用下，大分子链可以相对滑动。粘流态是高分子材料的加工态，子材料的加工态，大分子链开始发大分子链开始发生粘性流动的温生粘性流动的温度称粘流温度，度称粘流温度，用用Tf表示。表示。线型非晶态高聚物的温度线型非晶态高聚物的温度-变形曲线变形曲线 第9页，本讲稿共23页l2、线型晶态高分子材料的力学状态、线型晶态高分子材料的力学状态l分为一般分子量和很大分子量两种情况。分为一般分子量和很大分子量两种情况。一般分子量一般分子量的高聚物在低温时，链段不能活动，变形小，在的高聚物在低温时，链段不能活动，变形小，在 Tm 以以下与非晶态的玻璃相似，高于下与非晶态的玻璃相似，高于Tm 则进入粘流态。则进入粘流态。分子量分子量很大的晶态存高聚物在高弹态。很大的晶态存高聚物在高弹态。l部分结晶高聚物在非部分结晶高聚物在非晶区晶区Tg与晶区与晶区T m 间间,非晶区柔性好非晶区柔性好,晶区刚晶区刚性好性好,处于韧性状态处于韧性状态,即即皮革态。皮革态。线型晶态高聚物线型晶态高聚物的温度的温度-变形曲线变形曲线 第10页，本讲稿共23页第二节第二节 高分子工程材料高分子工程材料 l高分子工程材料包高分子工程材料包括塑料、合成纤维、括塑料、合成纤维、橡胶和胶粘剂等。橡胶和胶粘剂等。本节主要介绍工程本节主要介绍工程上常用的高分子工上常用的高分子工程材料。程材料。第11页，本讲稿共23页一、工程塑料一、工程塑料 l塑料是在玻璃态下使用的高分子材料。塑料是在玻璃态下使用的高分子材料。在一定温度、压力下在一定温度、压力下可塑制成型，在常温下能保持其形状不变。可塑制成型，在常温下能保持其形状不变。l1、工程塑料概述、工程塑料概述 l 塑料的组成塑料的组成 l塑料是以树脂为主要成分，加塑料是以树脂为主要成分，加入各种添加剂。入各种添加剂。l树脂是塑料的主要成分，对塑树脂是塑料的主要成分，对塑料性能起决定性作用。料性能起决定性作用。塑塑料料制制品品第12页，本讲稿共23页l添加剂添加剂是为改善塑料某些性能而加入的物质。是为改善塑料某些性能而加入的物质。l填料填料主要起增强作用；主要起增强作用；l增塑剂增塑剂用于提高树脂的可塑性和柔软性；用于提高树脂的可塑性和柔软性；l固化剂固化剂用于使热固性树脂由线型结构转变为体型结构；用于使热固性树脂由线型结构转变为体型结构；l稳定剂稳定剂用于防止塑料老化，延长其使用寿命；用于防止塑料老化，延长其使用寿命；l润滑剂润滑剂用于防止塑料加工时粘在模具上用于防止塑料加工时粘在模具上,使制品光亮；使制品光亮；l着色剂着色剂用于塑料制品着色。用于塑料制品着色。l其他的还有其他的还有发泡剂发泡剂、催化催化 剂剂、阻燃剂阻燃剂、抗静电剂抗静电剂等。等。添添加加剂剂第13页，本讲稿共23页l 塑料的分类塑料的分类l按树脂受热时行为按树脂受热时行为可分为热塑性塑料和热固性塑料。可分为热塑性塑料和热固性塑料。l按使用范围按使用范围可分为通用塑料、工程塑料和特种塑料。可分为通用塑料、工程塑料和特种塑料。l通用塑料通用塑料产量大、价格低、用途广。产量大、价格低、用途广。l工程塑料工程塑料力学性能高，耐热、耐蚀性能好。力学性能高，耐热、耐蚀性能好。l特种塑料特种塑料是指具有某些特殊性是指具有某些特殊性能如耐高温、耐腐蚀的塑料，能如耐高温、耐腐蚀的塑料，这类塑料产量少，价格贵，只这类塑料产量少，价格贵，只用于特殊需要的场合。用于特殊需要的场合。热固性塑料制品热固性塑料制品第14页，本讲稿共23页l 塑料的性能特点塑料的性能特点l塑料的优点：塑料的优点：l相对密度小相对密度小(一般为一般为0.9 2.3)；耐蚀性、电绝缘性、减耐蚀性、电绝缘性、减摩、耐磨性好；摩、耐磨性好；有消音吸有消音吸振性能振性能。l塑料的缺点：塑料的缺点：l刚性差刚性差(为钢铁材料的为钢铁材料的1/1001/10)，强度低；，强度低；耐热性差、耐热性差、热膨胀系数大（是钢铁的热膨胀系数大（是钢铁的10倍）、导热系数小倍）、导热系数小(只有金只有金属的属的1/2001/600)；蠕变温度低、易老化。蠕变温度低、易老化。第15页，本讲稿共23页l2、常用工程塑料、常用工程塑料l 一般结构用塑料一般结构用塑料l包括聚乙烯包括聚乙烯(PE)、聚氯乙烯、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯、聚苯乙烯(PS)、聚丙、聚丙烯烯(PP)和和ABS塑料等。塑料等。l聚丙烯聚丙烯具有优良的综合性能，可制造各种机械零件。具有优良的综合性能，可制造各种机械零件。lABS塑料塑料“坚韧、质硬、刚性坚韧、质硬、刚性”，应用广泛。，应用广泛。PE波纹管波纹管PP方向盘方向盘ABS阀门阀门PS管管第16页，本讲稿共23页l聚酰胺聚酰胺又称尼龙或绵纶，强度较高，耐磨、自润滑性好，又称尼龙或绵纶，强度较高，耐磨、自润滑性好，广泛用作机械、化工及电气零件。广泛用作机械、化工及电气零件。l聚甲醛聚甲醛具有优良的综合性能，广泛用于汽车机床、化工、具有优良的综合性能，广泛用于汽车机床、化工、电气仪表、农机等工业电气仪表、农机等工业。尼龙管件尼龙管件PC挡挡风风板板l聚碳酸酯聚碳酸酯具有优良的机械性能，具有优良的机械性能，透明无毒，应用广泛。透明无毒，应用广泛。l 摩擦传动零件用塑料摩擦传动零件用塑料l包括聚酰胺包括聚酰胺(PA)、聚甲醛、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯聚碳酸酯(PC)、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯(PTFE)等。等。第17页，本讲稿共23页密封件密封件聚四氟乙烯管聚四氟乙烯管聚四氟乙烯零件聚四氟乙烯零件l聚四氟乙烯俗称聚四氟乙烯俗称“塑料王塑料王”，具有极优越的化学稳定性，具有极优越的化学稳定性和热稳定性以及优越的电性能，几乎不受任何化学药品和热稳定性以及优越的电性能，几乎不受任何化学药品的腐蚀，摩擦系数极低，只有的腐蚀，摩擦系数极低，只有0.04。缺点是强度低、加。缺点是强度低、加工性差。主要用于减摩密封件、化工耐蚀件与热交换器工性差。主要用于减摩密封件、化工耐蚀件与热交换器以及高频或潮湿条件下的绝缘材料。以及高频或潮湿条件下的绝缘材料。第18页，本讲稿共23页l 耐蚀用塑料耐蚀用塑料l耐蚀用塑料主要有聚四氟乙耐蚀用塑料主要有聚四氟乙烯、氯化聚醚烯、氯化聚醚(PENTON)、聚、聚丙烯等。丙烯等。l氯化聚醚的化学稳定性仅次氯化聚醚的化学稳定性仅次于聚四氟乙烯，但工艺性比于聚四氟乙烯，但工艺性比聚四氟乙烯好，成本低。在聚四氟乙烯好，成本低。在化学工业和机电工业获得广化学工业和机电工业获得广泛应用，如化工设备零件、泛应用，如化工设备零件、管道、衬里等。管道、衬里等。氯化聚醚防腐蝶阀氯化聚醚防腐蝶阀 第19页，本讲稿共23页l 耐高温件用塑料耐高温件用塑料l有聚砜有聚砜(PSF)、聚苯醚、聚苯醚(PPO)、聚酰亚胺、聚酰亚胺(PI)及氟及氟塑料等。塑料等。l聚砜聚砜的热稳定性高是其的热稳定性高是其聚酰亚胺层压板聚酰亚胺层压板 最突出的特点。使用温度达最突出的特点。使用温度达150174。用于机械设备等工业。用于机械设备等工业。l聚苯醚聚苯醚具有良好的综合性能具有良好的综合性能,用于机电等方面。用于机电等方面。l聚酰亚胺聚酰亚胺在在260下可长期使用。主要用于特殊条件下使用下可长期使用。主要用于特殊条件下使用的精密零件。的精密零件。第20页，本讲稿共23页l 热固性塑料热固性塑料l热固性塑料是在树脂中加入固化剂压制成型而形成的体形聚热固性塑料是在树脂中加入固化剂压制成型而形成的体形聚合物。合物。l酚醛塑料是以酚醛树脂为基，加入填料及其他添加剂而制成。酚醛塑料是以酚醛树脂为基，加入填料及其他添加剂而制成。广泛用于制作各种电讯器材和电木制品（如插座、开关等），广泛用于制作各种电讯器材和电木制品（如插座、开关等），耐热绝缘部件及各种结构件。耐热绝缘部件及各种结构件。电器配件电器配件第21页，本讲稿共23页二、合成橡胶二、合成橡胶 l橡胶是以高分子化合物为基础的具有高弹性的材料。橡胶是以高分子化合物为基础的具有高弹性的材料。l1、橡胶的组成和性能特点、橡胶的组成和性能特点 l工业用橡胶由生胶和橡胶配合剂组成。生胶无配合剂并未经工业用橡胶由生胶和橡胶配合剂组成。生胶无配合剂并未经硫化。橡胶配合剂有硫化剂、硫化促进剂、防老剂、软化剂、硫化。橡胶配合剂有硫化剂、硫化促进剂、防老剂、软化剂、填充剂、发泡剂、着色剂等。填充剂、发泡剂、着色剂等。l橡胶最大的特点是高弹性。橡胶有储能、耐磨、隔音、绝橡胶最大的特点是高弹性。橡胶有储能、耐磨、隔音、绝缘等性能。缘等性能。第22页，本讲稿共23页l2、常用合成橡胶、常用合成橡胶l合成橡胶按用途和用量分为通用橡胶和特种橡胶合成橡胶按用途和用量分为通用橡胶和特种橡胶，前者主，前者主要用于制作轮胎、运输带、胶管、胶板、垫片、密封装置要用于制作轮胎、运输带、胶管、胶板、垫片、密封装置等；等；后者主要用于高低温、强腐蚀、强辐射等特殊环后者主要用于高低温、强腐蚀、强辐射等特殊环境下工作的橡胶制品。境下工作的橡胶制品。密封圈密封圈胶管胶管轮胎轮胎第23页，本讲稿共23页