航空航天材料工程-2-非金属材料.ppt
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1、,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,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,6.3,6.1 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。,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
2、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”。,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,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,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
3、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,聚苯硫醚,杂链高分子,6.1.1 高分子材料:2.分类,6.1.1 高分子材料:2.分类,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
4、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”。,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),“
5、链段”长度为链长。,6.1.1 高分子材料:4. 高分子结构,6.1.1 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,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。,大分子链的形态有
6、: -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,(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,“
7、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
8、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。,6.1.1 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。,6.1.1 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
9、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。,6.1.1 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。,6.1.1 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(Low Density PE)(自由基聚合) 这
10、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,LDPE和HDPE的性能和用途比较,应用于沥青改性、粘结剂、鞋底材料、汽车方向盘和保险杠,6.1.1 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,6.1.1 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
11、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:分子链交联或支化,使其变硬变脆 大分子链断裂,相对分子量下降,发生降解,6.1.1 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。
12、 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,
13、6.1.1 高分子材料:7. 工程塑料,2)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,6.1.1 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,1-2 g/cm3
14、- 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:使用温度低,导热导电性差、热膨胀系数高、易老 化、易燃烧、易变形,2)塑料的工艺性能 热塑性塑料的工艺性能:收缩性、黏度、流动性、吸水性等。 热固性塑料的工艺性能:收缩性、流动性、比体积和压缩比、水分和挥发物 含量、固化温度和速度等。 塑料的聚集状态与加工性: (a)玻璃态:可进行车、
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