航空航天材料工程非金属材料

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Байду номын сангаас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）
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
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
复合材料
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。
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
（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
•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
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。
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。
L/O/G/O
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
6.1 非金属材料分类、结构和特点
6.2 非金属材料的改性及其强化
6.3
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
近程结构 远程结构
高分子链结构
高分子结构
6.1.1 高分子材料：4. 高分子结构
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
高分子聚集态结 构
6.1.1 高分子材料：4. 1 高分子的大小
• 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
– 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。
• 例如聚异丁烯大分子 L 2.5 104 nm, D 0.5nm 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”。
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）
•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
杂链高分子
聚己二酰己二胺（聚酰胺66、尼龙66）
聚己内酰胺（聚酰胺6、锦纶、尼龙6）
数字表示单元链节中酸和胺的碳原子数
由单体己内酰胺经开环聚合反应生成线型聚酰胺
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
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。
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。