工程材料及应用-高分子材料和陶瓷材料
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7
1.3 分类及名称
1.3.1 按高聚物链上的化学组成分类
1) C链高聚物 主链全部是C原子 －C－C－C－C－，如：聚乙烯、聚丙烯、聚氯 乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯等
2) 杂链高聚物 主链除C，还有O、N、S等 －C－C－O－C－，－C－N－C－C－ 如：聚醚、聚酯、聚酰胺、聚甲醇等
3) 元素有机高聚物 主链上没有C，由O和其它元素 组成， －O－Si－O－Si－O－ 如：甲基、乙基、芳基等
21
22
2) 非氧化物晶体相
定义 不含氧的金属氮化物、氮化物、硼化物和硅 化物等，以共价键为主。
金属碳化物 以共价键为主，含一定的金属键。
① 间隙相 C固溶于面心立方或六方金属的八面体
中，如：TiC、ZrC、NbC、TaC等 ② 复杂碳化物 有斜方（Mn3C、Co3C、Ni3C）和
六方（WC、MoC）或更复杂
加聚
n(CH2＝CH2)
过氧化物引发剂 10.13MPa，加热
[CH2－CH2]n
6
1.2.2 缩聚反应 定义 由一种或者几种单体相互作用生成大分子、并
同时析出其它低分子物质（如水、氨、醇等）的 反应。
nNH2(CH2)5COOH H[ NH(CH2)5CO ]nOH+(n-1)H2O
含两个或两个以上活泼官能团，如：羟基－OH， 氨基－NH2。
音性及储能性 材料名称 天然橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶等 应用 轮胎、电缆、传输带、密封圈等
4.3 合成纤维 定义 能保持长径比大于100的均匀条状或丝状高分
子材料 材料名称 锦纶、涤纶、晴纶、丙纶、芳纶 应用 衣料、工农业领域
18
第十章 陶瓷材料
第一章 陶瓷材料的基本知识 1.1 含义
以天然或人工合成的无机非金属为原料，经过高 温烧结而成的固体材料或制品。
28
3.2 物理性能 1) 热膨胀小、导热性差，多数陶瓷的热稳定性差，
少数（如SiC）比较高； 2) 导电性变化范围大，多数是不良导体； 3) 功能转变性能 压电效应、热电效应等
3.3 化学性能 1) 抗氧化性能好； 2) 抗腐蚀性能好； 3) 抗熔盐的侵蚀
29
第四节 工程陶瓷简介
4.1 氧化铝 主要成分 Al2O3＋SiO2，Al2O3含量越高，性能越
1.3 制取 原料破碎与配制
坯材成型
高温烧结
坯材干燥
20
第二节 陶瓷材料的组织与结构
普通陶瓷的典型组织
晶体相＋玻璃相＋气相
2.1 晶体相 以一些化合物或者以化合物为基的固溶体，是 陶瓷材料的主要组分。
1) 氧化物晶体相 以离子键为主构成离子晶体，也有少量的共价 键。
离子晶体的排布特点 以直径较大的负氧离子构成 密排晶格，占据节点和面心位置，直径较小的 金属离子填充在间隙中。
好；
高铝陶瓷 Al2O3在95％以上，主晶相是α-Al2O3刚 玉；
特性 硬度高，熔点高，耐高温，耐酸碱； 韧性低，脆性大，不能承受急剧的温度变化。
应用 高速切削刀具、陶瓷发动机部件、模具等
30
4.2 SiC陶瓷 结构 六方晶系，极强的共价键； 性能特点 硬度高、耐磨性好、化学稳定性好、抗
热震性好； 用途 高温轴承、燃气轮机叶片、燃烧室喷嘴、高
23
氮化物 与碳化物相似，但金属键弱，并有一定的 离子键，如：Si3N4、AlN，六方晶系
硼化物和硅化物 以较强的共价键结合，连接成链、 网和骨架构成的独立单元，金属在单元之间，形 成复杂的晶体机构。
24
3) 硅酸盐晶体相 结合键为离子键＋共价键混合，习惯称离子键； 构成的基本单元为[SiO4]四面体 4) 同素异构转变
10
2.2 大分子的链接方式 聚合过程中，一种单体的链接方式有：头－头、 尾－尾、头－尾等。
两种或以上单体的共聚物中，链接方式有：无规、 交替、镶嵌或共聚等。
11
2.3 大分子链的形态
（a）伸直链 （b） 卷曲链 （c） 带支链 （d）网状链
12
第三节 高分子材料的物理状态及性能
3.1 高聚物的三态
玻璃态 Tg－高聚物保持玻 璃态的最高温度，处于玻 璃态的高聚物为塑料
高弹态 Tg～Tf之间分子运 动能量增加,弹性模量小， 能发生大的弹性变形
粘流态 大于Tf后链断的热 运动加聚，大分子链发生 相对滑动，高聚物为熔体
13
3.2 高聚物的基本性能 1) 物理性能
低密度、绝缘性能好、耐蚀性高、耐热性差 2) 力学性能 高弹性
普通陶瓷 利用天然硅酸盐矿物（黏土、硅土、长 石）为原料制成的陶瓷，又称传统陶瓷。
特种陶瓷 采用高纯度的人工合成原料制成的，具 有特殊的力学、物理或化学性能，又称新型陶瓷 和现代陶瓷。
19
1.2 陶瓷材料的结合键
离子键、共价键，多数是两者混合
两种键的键能高，表现出高熔点、耐腐蚀、高硬 度、高弹性模量、极差的塑性
聚合度， n一般不等，相对分子质量也不同。
多分散性 相对分子质量不等的现象。
相对分子质量越大，强度越高；但太大，熔融态 黏度增加，流动性变差，加工困难。
5
1.2 合成方法
聚合反应 低分子化合物（单体）聚合成高分子的过 程。
1.2.1 加聚反应 概念 在光、热、压力或引发剂的作用下，低分子双
链被打开, 连接形成大分子的反应。
8
1.3.2 按高聚物的热行为分类
1) 热塑性高聚物 加热软化，冷却硬化，再加热再软化，基本结 构和性质不改变，如：烯类高聚物
2) 热固性高聚物 受热时发生化学变化并固化成型，再受热不会 软化变形。 如：环氧树脂、酚醛树脂
9
第二节 高分子材料的结构
2.1 大分子链的化学组成 不是所有元素能组合成链状分子，只有几种非金 属和半金属，即：B，C，Si，N，P，As，O，S， Se. C是最重要的高分子材料
15
鉴别塑料袋有无毒性的方法： 1) 水检测法：放入水中，无毒的可浮出水面，有毒
的不会上浮。 2)手触及颜色检测法：无毒的呈乳白色或无色透明，
手摸时有润滑感，表面似蜡样感；有毒的颜色混 浊或呈黄、红、黑色，手感发粘。 3)抖动检测法；抓住塑料袋用力抖一下，声音清脆 的无毒；声音闷涩的有毒。 4)火烧检测法：无毒的易燃，火焰尖端呈黄色，局 部呈青色，燃烧时像蜡烛一样滴落，有石蜡味； 有毒的不易燃，离火即熄，火焰尖端呈黄色，底 部呈绿色，软化能拉成丝状。
1
分子量介于500-5000之间，具有高分子化 合物的性能，也称为高分子化合物。
低分子化合物 分子质量小于500，原子数几个(最多几百
个), 分子长度0.1-102nm，弹性和强度小。
高分子化合物有无机和有机两大类，有机分 人工和天然。
2
单体与大分子链 单体 高分子由一种或者几种简单的低分子化合物
第九章 高分子材料
第一节 基本知识 由C、H、O、N、Si、S、P等少数元素组成； 由一种或几种简单的结构单元通过共价键连接 并不断重复而形成
1.1 术语和概念 高分子化合物 以分子量大的化合物为主要组分的材料，加入
添加剂进行人工合成。 分子量通常在5000以上，分子长度102～
104nm，有一定弹性和强度； 如：橡胶10万，合成纤维1
16
有毒塑料袋主要聚氯乙烯，是有毒的物质。 可由呼吸道、消化道、血液侵入人体内。 中毒时出现眩晕、头痛、定向力障碍、判 断力差，有酒醉感觉，还可有全身发麻、 胸闷痛、咳嗽、多痰，严重者可引起肺水 肿、肝脏损害。可引起肝血管瘤及呼吸道 肿瘤，对眼睛、皮肤均有刺激作用。
17
百度文库
4.2 合成橡胶 特点 室温下保持高弹性，具有良好的耐磨性、隔
重复连接而成，其中的低分子称为单体。 聚合 由单体变成高分子的过程。
3
链节与聚合度 链节 聚合物由许多结构单元重复连接而成，
这种重复结构的单元为链节。 －CH2－CH2－（聚乙烯） －CH2－CH－（聚氯乙烯） ∣ Cl
聚合度 大分子链中链节的重复次数(n)
4
相对分子质量和多分散性
相对分子量（M） M＝m×n， m－重复单元结构的相对分子量，n－
温模具等
31
25
2.2 玻璃相
普通陶瓷中的SiO2，烧结过程中熔化，在凝固 过程中形成无序排列的玻璃相
玻璃相的作用 1) 连接晶体相，填充空隙，提高致密度； 2) 降低烧结温度，加快烧结过程； 3) 阻止晶体转变，抑制晶粒长大； 4) 获得一定程度的玻璃特性，如透光性
26
2.3 气相 陶瓷内部残留下来的气孔
弹性模量1MPa，变形量可达100%-1000%。 粘弹性
高聚物力学性能随时间变化的现象。 具有粘弹性的高聚物受力后，形变与时间有关， 但不呈线性关系。
14
第四节 工程高分子材料
4.1 塑料 特性 在玻璃态下使用的高分子，以合成树脂为基
本成分，加入添加剂，在一定的温度和压力下 成型，常温下外形保持不变。 常用塑料 1) 通用塑料 产量大、价格低，工农业生产和日常 生活所用，如：聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等 2) 塑料 力学性能好，能在高温下使用的塑料，如： 聚酰胺、聚甲醛、聚四氟乙烯（塑料王）。
1) 开放型气孔，在陶瓷的表面，恶化性能； 2) 封闭型气孔，陶瓷内部，在晶界上、晶粒内； 气孔的副作用 气孔是应力几种处，裂纹的发源地 气孔率 普通陶瓷为5%～10%，特种陶瓷5%以下
27
第三节 陶瓷材料的性能及应用
3.1 力学性能 弹性模量高，高于金属
若干倍,比聚合物高出24数量级，刚度大； 高硬度和高耐磨； 抗拉强度低，但弯曲强 度高，抗压强度更高； 塑性低，伸长率为零； 韧性低，ak 和KIC都很低；脆性成为陶瓷材料应 用的主要障碍。
1.3 分类及名称
1.3.1 按高聚物链上的化学组成分类
1) C链高聚物 主链全部是C原子 －C－C－C－C－，如：聚乙烯、聚丙烯、聚氯 乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯等
2) 杂链高聚物 主链除C，还有O、N、S等 －C－C－O－C－，－C－N－C－C－ 如：聚醚、聚酯、聚酰胺、聚甲醇等
3) 元素有机高聚物 主链上没有C，由O和其它元素 组成， －O－Si－O－Si－O－ 如：甲基、乙基、芳基等
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2) 非氧化物晶体相
定义 不含氧的金属氮化物、氮化物、硼化物和硅 化物等，以共价键为主。
金属碳化物 以共价键为主，含一定的金属键。
① 间隙相 C固溶于面心立方或六方金属的八面体
中，如：TiC、ZrC、NbC、TaC等 ② 复杂碳化物 有斜方（Mn3C、Co3C、Ni3C）和
六方（WC、MoC）或更复杂
加聚
n(CH2＝CH2)
过氧化物引发剂 10.13MPa，加热
[CH2－CH2]n
6
1.2.2 缩聚反应 定义 由一种或者几种单体相互作用生成大分子、并
同时析出其它低分子物质（如水、氨、醇等）的 反应。
nNH2(CH2)5COOH H[ NH(CH2)5CO ]nOH+(n-1)H2O
含两个或两个以上活泼官能团，如：羟基－OH， 氨基－NH2。
音性及储能性 材料名称 天然橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶等 应用 轮胎、电缆、传输带、密封圈等
4.3 合成纤维 定义 能保持长径比大于100的均匀条状或丝状高分
子材料 材料名称 锦纶、涤纶、晴纶、丙纶、芳纶 应用 衣料、工农业领域
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第十章 陶瓷材料
第一章 陶瓷材料的基本知识 1.1 含义
以天然或人工合成的无机非金属为原料，经过高 温烧结而成的固体材料或制品。
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3.2 物理性能 1) 热膨胀小、导热性差，多数陶瓷的热稳定性差，
少数（如SiC）比较高； 2) 导电性变化范围大，多数是不良导体； 3) 功能转变性能 压电效应、热电效应等
3.3 化学性能 1) 抗氧化性能好； 2) 抗腐蚀性能好； 3) 抗熔盐的侵蚀
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第四节 工程陶瓷简介
4.1 氧化铝 主要成分 Al2O3＋SiO2，Al2O3含量越高，性能越
1.3 制取 原料破碎与配制
坯材成型
高温烧结
坯材干燥
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第二节 陶瓷材料的组织与结构
普通陶瓷的典型组织
晶体相＋玻璃相＋气相
2.1 晶体相 以一些化合物或者以化合物为基的固溶体，是 陶瓷材料的主要组分。
1) 氧化物晶体相 以离子键为主构成离子晶体，也有少量的共价 键。
离子晶体的排布特点 以直径较大的负氧离子构成 密排晶格，占据节点和面心位置，直径较小的 金属离子填充在间隙中。
好；
高铝陶瓷 Al2O3在95％以上，主晶相是α-Al2O3刚 玉；
特性 硬度高，熔点高，耐高温，耐酸碱； 韧性低，脆性大，不能承受急剧的温度变化。
应用 高速切削刀具、陶瓷发动机部件、模具等
30
4.2 SiC陶瓷 结构 六方晶系，极强的共价键； 性能特点 硬度高、耐磨性好、化学稳定性好、抗
热震性好； 用途 高温轴承、燃气轮机叶片、燃烧室喷嘴、高
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氮化物 与碳化物相似，但金属键弱，并有一定的 离子键，如：Si3N4、AlN，六方晶系
硼化物和硅化物 以较强的共价键结合，连接成链、 网和骨架构成的独立单元，金属在单元之间，形 成复杂的晶体机构。
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3) 硅酸盐晶体相 结合键为离子键＋共价键混合，习惯称离子键； 构成的基本单元为[SiO4]四面体 4) 同素异构转变
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2.2 大分子的链接方式 聚合过程中，一种单体的链接方式有：头－头、 尾－尾、头－尾等。
两种或以上单体的共聚物中，链接方式有：无规、 交替、镶嵌或共聚等。
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2.3 大分子链的形态
（a）伸直链 （b） 卷曲链 （c） 带支链 （d）网状链
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第三节 高分子材料的物理状态及性能
3.1 高聚物的三态
玻璃态 Tg－高聚物保持玻 璃态的最高温度，处于玻 璃态的高聚物为塑料
高弹态 Tg～Tf之间分子运 动能量增加,弹性模量小， 能发生大的弹性变形
粘流态 大于Tf后链断的热 运动加聚，大分子链发生 相对滑动，高聚物为熔体
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3.2 高聚物的基本性能 1) 物理性能
低密度、绝缘性能好、耐蚀性高、耐热性差 2) 力学性能 高弹性
普通陶瓷 利用天然硅酸盐矿物（黏土、硅土、长 石）为原料制成的陶瓷，又称传统陶瓷。
特种陶瓷 采用高纯度的人工合成原料制成的，具 有特殊的力学、物理或化学性能，又称新型陶瓷 和现代陶瓷。
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1.2 陶瓷材料的结合键
离子键、共价键，多数是两者混合
两种键的键能高，表现出高熔点、耐腐蚀、高硬 度、高弹性模量、极差的塑性
聚合度， n一般不等，相对分子质量也不同。
多分散性 相对分子质量不等的现象。
相对分子质量越大，强度越高；但太大，熔融态 黏度增加，流动性变差，加工困难。
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1.2 合成方法
聚合反应 低分子化合物（单体）聚合成高分子的过 程。
1.2.1 加聚反应 概念 在光、热、压力或引发剂的作用下，低分子双
链被打开, 连接形成大分子的反应。
8
1.3.2 按高聚物的热行为分类
1) 热塑性高聚物 加热软化，冷却硬化，再加热再软化，基本结 构和性质不改变，如：烯类高聚物
2) 热固性高聚物 受热时发生化学变化并固化成型，再受热不会 软化变形。 如：环氧树脂、酚醛树脂
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第二节 高分子材料的结构
2.1 大分子链的化学组成 不是所有元素能组合成链状分子，只有几种非金 属和半金属，即：B，C，Si，N，P，As，O，S， Se. C是最重要的高分子材料
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鉴别塑料袋有无毒性的方法： 1) 水检测法：放入水中，无毒的可浮出水面，有毒
的不会上浮。 2)手触及颜色检测法：无毒的呈乳白色或无色透明，
手摸时有润滑感，表面似蜡样感；有毒的颜色混 浊或呈黄、红、黑色，手感发粘。 3)抖动检测法；抓住塑料袋用力抖一下，声音清脆 的无毒；声音闷涩的有毒。 4)火烧检测法：无毒的易燃，火焰尖端呈黄色，局 部呈青色，燃烧时像蜡烛一样滴落，有石蜡味； 有毒的不易燃，离火即熄，火焰尖端呈黄色，底 部呈绿色，软化能拉成丝状。
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分子量介于500-5000之间，具有高分子化 合物的性能，也称为高分子化合物。
低分子化合物 分子质量小于500，原子数几个(最多几百
个), 分子长度0.1-102nm，弹性和强度小。
高分子化合物有无机和有机两大类，有机分 人工和天然。
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单体与大分子链 单体 高分子由一种或者几种简单的低分子化合物
第九章 高分子材料
第一节 基本知识 由C、H、O、N、Si、S、P等少数元素组成； 由一种或几种简单的结构单元通过共价键连接 并不断重复而形成
1.1 术语和概念 高分子化合物 以分子量大的化合物为主要组分的材料，加入
添加剂进行人工合成。 分子量通常在5000以上，分子长度102～
104nm，有一定弹性和强度； 如：橡胶10万，合成纤维1
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有毒塑料袋主要聚氯乙烯，是有毒的物质。 可由呼吸道、消化道、血液侵入人体内。 中毒时出现眩晕、头痛、定向力障碍、判 断力差，有酒醉感觉，还可有全身发麻、 胸闷痛、咳嗽、多痰，严重者可引起肺水 肿、肝脏损害。可引起肝血管瘤及呼吸道 肿瘤，对眼睛、皮肤均有刺激作用。
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4.2 合成橡胶 特点 室温下保持高弹性，具有良好的耐磨性、隔
重复连接而成，其中的低分子称为单体。 聚合 由单体变成高分子的过程。
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链节与聚合度 链节 聚合物由许多结构单元重复连接而成，
这种重复结构的单元为链节。 －CH2－CH2－（聚乙烯） －CH2－CH－（聚氯乙烯） ∣ Cl
聚合度 大分子链中链节的重复次数(n)
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相对分子质量和多分散性
相对分子量（M） M＝m×n， m－重复单元结构的相对分子量，n－
温模具等
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2.2 玻璃相
普通陶瓷中的SiO2，烧结过程中熔化，在凝固 过程中形成无序排列的玻璃相
玻璃相的作用 1) 连接晶体相，填充空隙，提高致密度； 2) 降低烧结温度，加快烧结过程； 3) 阻止晶体转变，抑制晶粒长大； 4) 获得一定程度的玻璃特性，如透光性
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2.3 气相 陶瓷内部残留下来的气孔
弹性模量1MPa，变形量可达100%-1000%。 粘弹性
高聚物力学性能随时间变化的现象。 具有粘弹性的高聚物受力后，形变与时间有关， 但不呈线性关系。
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第四节 工程高分子材料
4.1 塑料 特性 在玻璃态下使用的高分子，以合成树脂为基
本成分，加入添加剂，在一定的温度和压力下 成型，常温下外形保持不变。 常用塑料 1) 通用塑料 产量大、价格低，工农业生产和日常 生活所用，如：聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等 2) 塑料 力学性能好，能在高温下使用的塑料，如： 聚酰胺、聚甲醛、聚四氟乙烯（塑料王）。
1) 开放型气孔，在陶瓷的表面，恶化性能； 2) 封闭型气孔，陶瓷内部，在晶界上、晶粒内； 气孔的副作用 气孔是应力几种处，裂纹的发源地 气孔率 普通陶瓷为5%～10%，特种陶瓷5%以下
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第三节 陶瓷材料的性能及应用
3.1 力学性能 弹性模量高，高于金属
若干倍,比聚合物高出24数量级，刚度大； 高硬度和高耐磨； 抗拉强度低，但弯曲强 度高，抗压强度更高； 塑性低，伸长率为零； 韧性低，ak 和KIC都很低；脆性成为陶瓷材料应 用的主要障碍。