工程材料及應(yīng)用 節(jié)選

    “工程材料”是高等院校機(jī)械類(lèi)和近機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)一門(mén)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課。隨著科學(xué)技術(shù)
的發(fā)展，新材料和新技術(shù)的不斷問(wèn)世及應(yīng)用，對(duì)工程材料的教學(xué)也提出了新的要求。本書(shū)
是依據(jù)高等教育面向21世紀(jì)教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革項(xiàng)目“機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方案及教
學(xué)內(nèi)容和課程體系改革的研究與實(shí)踐”的研究成果，結(jié)合目前教改的基本指導(dǎo)思想和原則
以及實(shí)施素質(zhì)教育和加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新的精神，根據(jù)高等學(xué)校機(jī)械類(lèi)教學(xué)的實(shí)際需要而編寫(xiě)
的，屬于西安電子科技大學(xué)出版社組織國(guó)內(nèi)部分本科院校編寫(xiě)的高等學(xué)校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及
其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)“十一五”規(guī)劃教材之一。
    本書(shū)以材料的性能一結(jié)構(gòu)一組織一應(yīng)用這一普遍規(guī)律為主線，系統(tǒng)地闡述了金屬材
料、高分子材料、陶瓷材料和復(fù)合材料的基本原理、基本知識(shí)和工程應(yīng)用三個(gè)層次的內(nèi)容。
同時(shí)，書(shū)中也引入了較多的新材料與新技術(shù)等知識(shí)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，拓寬學(xué)
生專(zhuān)業(yè)知識(shí)面，讓學(xué)生及時(shí)了解當(dāng)前國(guó)內(nèi)外*新工程材料的發(fā)展動(dòng)向。與以往同類(lèi)教材相
比，本書(shū)具有以下幾方面的特點(diǎn)：
    (1)精簡(jiǎn)了理論敘述，豐富和深化了理論基礎(chǔ)知識(shí)。
    (2)注重實(shí)踐應(yīng)用。在闡述基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，還在不同失效形式的選材分析、典型工
件的選材及工藝路線設(shè)計(jì)等方面注重緊密聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際。
    (3)詳細(xì)地介紹了工程材料的應(yīng)用。
    (4)書(shū)中增加了新材料和新技術(shù)等知識(shí)的內(nèi)容，反映了工程材料的發(fā)展趨勢(shì)。
    (5)本書(shū)適應(yīng)性強(qiáng)，有較大的選擇余地，可根據(jù)不同專(zhuān)業(yè)的需要及課時(shí)要求選擇適當(dāng)
的內(nèi)容進(jìn)行講授。
    參與本書(shū)編寫(xiě)的人員都是多年從事本專(zhuān)業(yè)工作的教師、科研工作者，他們分別是：青
島科技大學(xué)的汪傳生、劉春廷、李鎮(zhèn)江、馬伯江、張淼、林廣義、叢海燕、趙朋成、王為波，
青島零點(diǎn)電子有限公司的馬繼，海軍航空工程學(xué)院青島分院的韓莉，中國(guó)科學(xué)院金屬研究
所的劉朝霞、劉俊。全書(shū)由汪傳生和劉春廷擔(dān)任主編，由馬繼和劉偉負(fù)責(zé)統(tǒng)稿，由江蘇大
學(xué)的張永康教授和青島科技大學(xué)的趙程教授負(fù)責(zé)主審。
    在本書(shū)的編寫(xiě)過(guò)程中，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所的胡壯麒院士、管恒榮研究員和孫曉峰
研究員參加了審稿工作，提出了許多寶貴的意見(jiàn)。本書(shū)參考了已出版的多種教材(見(jiàn)參考
文獻(xiàn))，并注意吸收各院校、研究所和企業(yè)的教學(xué)改革經(jīng)驗(yàn)及科研成果。在此，謹(jǐn)向上述涉
及的單位和個(gè)人表示衷心的感謝!
    由于編者水平有限，加之時(shí)間倉(cāng)促，書(shū)中難免存在不足之處，懇請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。
    編  者
    2007年9月

第6章  高分子材料
6．1  概    述
    材料、能源、信息是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱。其中，材料是一切技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基
礎(chǔ)，而高分子材料是材料領(lǐng)域的重要組成部分，由于其原料來(lái)源豐富，制造方便，品種眾
多，因此在材料領(lǐng)域中的地位日益突出。高分子材料為發(fā)展高新技術(shù)提供了更多、更有效
的高性能結(jié)構(gòu)材料、高功能材料以及滿足各種特殊用途的專(zhuān)用材料。如在機(jī)械和紡織工
業(yè)，由于采用塑料軸承和塑料齒輪來(lái)代替相應(yīng)的金屬零件，車(chē)床和織布機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪聲大
大降低，從而改善了工人的勞動(dòng)條件；塑料同玻璃纖維制成的復(fù)合材料——玻璃鋼，由于
它比鋼鐵更加堅(jiān)固，被用來(lái)代替鋼鐵制備船舶的螺旋槳和汽車(chē)的車(chē)架、車(chē)身等。高分子材
料的發(fā)展也促進(jìn)了醫(yī)學(xué)的進(jìn)步，如用高分子材料制成的人工臟器、人工腎和人工角膜等使
一些器官性疾病不再是不治之癥。總之，目前高分子材料在尖端技術(shù)、國(guó)防、國(guó)民經(jīng)濟(jì)以
及社會(huì)生活的各個(gè)方面都得到了廣泛的應(yīng)用。
6．1．1  高分子材料的基本概念
    高分子材料也叫聚合物材料，主要是指以有機(jī)高分子化合物(不包括無(wú)機(jī)高分子化合
物)為主體組成的或加工而成的具有實(shí)用性能的材料。
    按照高分子材料來(lái)源，高分子材料分為天然高分子材料和合成高分子材料兩大類(lèi)。天
然高分子材料主要有天然橡膠、纖維素、淀粉、蠶絲等；合成高分子材料的種類(lèi)繁多，如合
成塑料、合成橡膠、合成纖維等。
    按照用途，高分子材料主要分為塑料、化學(xué)纖維、橡膠、膠粘劑、涂料和復(fù)合材料等幾
類(lèi)，其中塑料、合成纖維和合成橡膠的產(chǎn)量*大，品種*多，統(tǒng)稱(chēng)為三大合成材料。
    按照材料學(xué)觀點(diǎn)，高分子材料分為結(jié)構(gòu)高分子材料和功能高分子材料，前者主要利用
它的強(qiáng)度、彈性等力學(xué)性能，后者主要利用它的聲、光、電、磁和生物等功能。
6．1．2高分子化合物的力學(xué)狀態(tài)
    當(dāng)溫度在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，高聚物可經(jīng)歷不同的力學(xué)狀態(tài)，它反映了大分子運(yùn)動(dòng)的
不同形式。在恒定應(yīng)力下高聚物的溫度一形變之間的關(guān)系可反映出分子運(yùn)動(dòng)與溫度變化的
關(guān)系。對(duì)于不同的聚合物，其溫度一形變曲線也不相同。下面就幾種不同類(lèi)型的聚合物分別
給予介紹。
 1．非晶聚合物的力學(xué)狀態(tài)
    當(dāng)溫度變化時(shí)，非晶聚合物存在著三種不同的力學(xué)狀態(tài)，即玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)。
    高聚物出現(xiàn)這三種力學(xué)狀態(tài)是由高分子鏈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)決定的。高分子鏈
是由許多具有獨(dú)立活動(dòng)能力的鏈段所組成的，因此，一個(gè)高分子鏈具有兩種運(yùn)動(dòng)單元：整
個(gè)大分子的運(yùn)動(dòng)和大分子中各個(gè)鏈段的運(yùn)動(dòng)。正是高聚物分子鏈運(yùn)動(dòng)的二重性決定了非晶
態(tài)高聚物的三種力學(xué)狀態(tài)。
    當(dāng)溫度很低時(shí)，分子間的作用能大于分子的熱運(yùn)動(dòng)能，此時(shí)，不但整個(gè)大分子的運(yùn)動(dòng)
被凍結(jié)，甚至鏈段的運(yùn)動(dòng)也被凍結(jié)(分子的內(nèi)旋轉(zhuǎn)被凍結(jié))，即分子之間和鏈段之間的相對(duì)
位置都被固定著，只有分子中的原子在其固定位置上進(jìn)行著振動(dòng)運(yùn)動(dòng)。與之對(duì)應(yīng)的高聚物
則處于堅(jiān)硬的固體狀態(tài)，即玻璃態(tài)。玻璃態(tài)的力學(xué)行為是：當(dāng)施加外力后只能引起原子間
鍵長(zhǎng)和鍵角的微小變化，因此高聚物形變很小。當(dāng)外力消除后，高聚物立即恢復(fù)原狀，即
形變是可逆的，這種形變稱(chēng)為普彈形變，它的特點(diǎn)是形變量小、瞬時(shí)完成和可逆性。
    若溫度逐漸升高，分子的熱運(yùn)動(dòng)能逐漸增加，當(dāng)達(dá)到某一溫度范圍后，雖然熱運(yùn)動(dòng)能
還不能使整個(gè)分子鏈發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，但卻足夠能使分子中的鏈段運(yùn)動(dòng)起來(lái)，此時(shí)的高聚物
即處于高彈態(tài)，發(fā)生的形變?yōu)楦邚椥巫儭８邚棏B(tài)的力學(xué)行為是：當(dāng)施加外力后，分子鏈在
外力作用下由原來(lái)的卷曲狀態(tài)變成了伸展?fàn)顟B(tài)，使高聚物產(chǎn)生很大的形變，當(dāng)外力消除
后，被拉伸的鏈又會(huì)逐漸再卷曲起來(lái)(鏈段運(yùn)動(dòng)的結(jié)果)，恢復(fù)原狀，因而也是可逆形變。
高彈形變的特點(diǎn)是形變量很大、具有可逆性和需要松弛時(shí)間(即完成形變和恢復(fù)原狀都需
要一定的時(shí)間才能完成)。
    若溫度繼續(xù)上升，熱運(yùn)動(dòng)能繼續(xù)增加，當(dāng)達(dá)到某一溫度后，不但分子鏈的鏈段可以自
由運(yùn)動(dòng)，而且整個(gè)分子鏈之間也可以產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，此時(shí)高聚物就處于粘流態(tài)了。粘流態(tài)
的力學(xué)行為是：當(dāng)施加外力后，高聚物會(huì)產(chǎn)生無(wú)休止的永久形變，即當(dāng)外力消除后形變也
不會(huì)恢復(fù)原狀的不可逆形變。
    高聚物的上述三種力學(xué)狀態(tài)可以用高
聚物的溫度一形變曲線表現(xiàn)出來(lái)，如圖
6—1所示。溫度一形變曲線是在恒定應(yīng)力
下，對(duì)高聚物樣品進(jìn)行連續(xù)升溫．，觀測(cè)在
不同溫度下樣品的形變值。
    由圖6—1可見(jiàn)，在恒定應(yīng)力下，這三
種不同力學(xué)狀態(tài)下高聚物的形變值是有明
顯差別的。但是，由于三種力學(xué)狀態(tài)的轉(zhuǎn)
變并不是相變，因此形變值在轉(zhuǎn)變點(diǎn)并沒(méi)
有發(fā)生突變，即沒(méi)有發(fā)生間斷點(diǎn)，而是連
續(xù)性的轉(zhuǎn)變。這些轉(zhuǎn)變點(diǎn)的溫度，由高彈態(tài)到玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度，叫做玻璃化溫度，以
表示；由高彈態(tài)到粘流態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度，叫做粘流溫度，以丁。表示。高聚物的溫度一形變曲
線的形狀與高聚物的分子量大小、分子結(jié)構(gòu)等有很大關(guān)系，當(dāng)分子量小時(shí)，將不出現(xiàn)高彈
態(tài)平臺(tái)，只有當(dāng)聚合物的分子量達(dá)到一定程度時(shí)，才出現(xiàn)高彈態(tài)，這也是橡膠都具有很高
分子量的原因。
 2．結(jié)晶性高聚物的溫度一形變曲線
    凡在一定條件下能夠結(jié)晶的高聚物統(tǒng)稱(chēng)為結(jié)晶性高聚物。結(jié)晶高聚物的結(jié)晶度不同，
分子量不同，其溫度一形變曲線也不相同。當(dāng)結(jié)晶度高于40％時(shí)，微晶貫穿整個(gè)材料，非
晶區(qū)丁。將不能明顯出現(xiàn)，只有當(dāng)溫度升高到熔融溫度丁m時(shí)，晶區(qū)熔融，高分子鏈熱運(yùn)動(dòng)
加劇，如果聚合物的分子量不太大，體系進(jìn)入
粘流態(tài)(此時(shí)L—ft)，如果聚合物分子量很
高，ft>丁m，則在丁m之后仍會(huì)出現(xiàn)高彈態(tài)，
然后當(dāng)丁一丁t時(shí)，體系才進(jìn)入粘流態(tài)。如果
聚合物的結(jié)晶度不高，則也會(huì)出現(xiàn)玻璃化轉(zhuǎn)
變的形變，但Tg以后，鏈段有可能按照結(jié)晶
結(jié)構(gòu)的要求重新排列成規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)。圖
6—2為分子量不同的結(jié)晶高聚物的溫度一形
變曲線。由圖可以看出，高彈態(tài)與粘流態(tài)的過(guò)
渡區(qū)隨分子量M的增大而增大。
    3．交聯(lián)高聚物的力學(xué)狀態(tài)
    交聯(lián)使高分子鏈之間以化學(xué)鍵相結(jié)合，若不破壞化學(xué)鍵，分子鍵之間就不能產(chǎn)生相對(duì)
位移，隨著交聯(lián)度的提高，不僅形變能力變差，而且不存在粘流態(tài)，既不能溶解，也不能熔
融，當(dāng)交聯(lián)度增加到一定數(shù)值之后，聚合物就不會(huì)隨溫度升高而出現(xiàn)高彈態(tài)。
    4．多相聚合物的力學(xué)狀態(tài)
    對(duì)于共混或接枝、嵌段共聚物，多數(shù)是處于微觀或亞微觀相分離的多相體系。在該種
體系中視各組分可能出現(xiàn)兩個(gè)以上玻璃化轉(zhuǎn)化區(qū)，每個(gè)轉(zhuǎn)化區(qū)表示一種均聚物的特性。對(duì)
于某些嵌段和共聚混合物材料，在外力的作用下會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變，誘發(fā)塑料一橡膠轉(zhuǎn)變。
    6．2  工程塑料
    工程塑料是指可以作為結(jié)構(gòu)材料，能在較廣的溫度范圍內(nèi)，在承受機(jī)械應(yīng)力和較為苛
刻的化學(xué)物理環(huán)境中使用的塑料材料。與通用塑料相比，工程塑料產(chǎn)量較低，價(jià)格較高，
但具有優(yōu)異的機(jī)械性能、化學(xué)性能、電性能以及耐熱性、耐磨性和尺寸穩(wěn)定性等，在電子、
電器、機(jī)械、交通、航空航天等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。
6．2．1工程塑料的組成
    工程塑料是以高分子化合物為主要成分，添加各種添加劑所組成的多組分材料。根據(jù)
作用不同，添加劑可分為固化劑、增塑劑、穩(wěn)定劑、增強(qiáng)劑、潤(rùn)滑劑、著色劑等，現(xiàn)主要介
紹以下幾種。    
    1．固化劑
    固化劑的作用是通過(guò)交聯(lián)使樹(shù)脂具有體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，成為較堅(jiān)硬和穩(wěn)定的塑料制品。
如在酚醛樹(shù)脂中加入六亞甲基四胺，在環(huán)氧樹(shù)脂中加入乙二胺等。