材料概论课件翻译.docx

1、材料概论课件翻译材料概论材料简介课程安排章简介2小时第章材质属性6小时章高分子材料12小时章复合材料6小时第陶瓷材料2小时章金属材料2小时评论2小时总32hrs第一章材料概述第一章简介材料简介1.1材料简介1.2材料周期1.3材料家庭1.1材料简介1.1.1定义材料1.1.2材料科学与工程1.1.3材料的发展1.1.1材料定义材料已使他们有用的机器（机器）结构（建筑物），宇宙（宇宙）的物质，设备（设备），产品（产品），系统（系统）。例如，PDF 1:4-21;简史材料，PDF 1:22-361.1.2材料科学与工程材料科学与工程（MSE）已成为一个主要的研究领域，一个关键的涉及到许多其他领域。

2、MSE的定义由美国科学院研究所的研究，涉及到有关的知识的组成，结构和材料处理其性能和用途的发现和应用。“科学”专注于发现的材料，这反过来又导致理论解释结构如何组成，性质和行为的性质。“工程”，另一方面，涉及使用的科学，以开发（开发），准备，修改和申请材料，以满足特定的需求。材料科学与工程是跨学科或跨学科（交叉学科），拥抱（包含）领域，如冶金（冶金学），陶瓷，固态物理，高分子物理与化学，等等。科学家和工程师是专家谁是完全参与调查和材料设计。为什么要研究材料科学与工程要了解材料要选择材料设计材料1.1.3材料的发展材料飞机第一架飞机纯铝于1930的Al合金的开始1970 CC复合材料材料成熟度曲线

3、1.2材料循环的制造商（制造业者）开始的原料如原油，天然气，树木，和棉花，以化学化合物，如乙烷，三氯甲烷，氟化氢，包括氯化乙烯。从这些原料的单体（单分子）的生产和乙烯，甲基丙烯酸甲酯和氯乙烯。如果我们使总的材料循环效率，从而保护环境和自然资源，为子孙后代，我们必须制定正确的态度和习惯，在我们的公民（养成）。1.3材料家庭聚合物1。电气绝缘2。保温3。耐化学性4。极轻的重量5。透明度6。韧性陶瓷1。高耐热性（耐热）2。耐化学性（耐化学品）3。高熔点和硬度4。高强度和模量5。高脆性（脆性）其他材料生物材料的是受雇于生物材料植入人体的组件更换受损的身体部位。先进材料利用高科技应用材料有时被称为先进的

4、材料。纳米材料这些材料的积木，无论是金属，陶瓷或聚合物，纳米大小的颗粒。材料的特性可以设计控制在1-100纳米范围和自己组装这些积木的大小。参考1。詹姆斯F Shackelford.Introduction的材料科学工程师。新泽西：Prentice Hall出版社，19922。莫之民等，材料科学与工程基础，上海交通大学出版社，19973。陈光等，新材料概论，科学出版社，20034。张留成，高分子材料导论，化学工业出版社，1993第二章要正确选择的材料，我们的最终目标，是要了解这些属性是什么意思，它们是如何测量，以及他们如何在选择过程中，应该比较。性质化学性质，涉及到的材料的结构及其形成的材料特

5、性。这些属性通常是在化学实验室测量，它们不能用肉眼观察确定物理性质物理性质的材料的特性有关的（属于）与各种形式的能量和与其他形式的物质，这些材料的相互作用。在本质（本质），他们涉及到物理学的科学。他们通常可以在不破坏或改变材料的计量。色彩是一种物理属性，它可确定，只是在寻找一种物质。机械性能机械性能的材料时所显示的力施加到材料的特性。它们通常涉及到弹性或无弹性（弹性或非弹性）的材料的行为，它们常常需要测量材料的破坏。2.1物理化学性质组成（组成）微观结构（微观结构）晶体结构和立体定向（晶体结构与立体定向性）耐腐蚀性（抗腐蚀性）2.1.1组成定义：元素或化学成分的材料，以及这些成分的相对比例。在

6、金属，组合物通常是指金属的各种元素的百分比。（不同元素的百分比）聚合物的组合物，包括与链的长度（数均分子量）表示的单体（单体）的化学符号（化学符号）。由单体化学符号及链长表示一个陶瓷的组合物，通常是化学计量比（化学计量）组成（元素和组合的定量关系）的化合物或化合物（例如，三氧化二铝的陶瓷组合物。将氧化铝。）一个复合的组合物，要求表的细节的基体（基体）和增强材料（增强体），每一个的体积分数（体积分数）。2.1.2显微定义：该结构揭示了显微镜的放大倍率（显微镜放大）结构包括相（相）目前阶段的形态（形貌），其体积分数。显微组织的研究表明粒径（颗粒尺寸），本阶段，夹杂物（掺杂物），等。的擦亮和蚀刻（蚀

7、刻）程序是用来揭示金属，陶瓷和矩阵（基体）复合材料的微观结构。聚合物的微观结构常常显露出特殊染色（染色）和照明技术，因为聚合物耐化学蚀刻的。 （化学腐蚀）2.1.3晶体结构和立体定向复杂（复杂的）技术，如X射线衍射（X射线衍射）是必需的。晶体结构只适用于结晶材料，但可以有许多聚合物具有足够的结构被认为是结晶的顺序。立体定向性的属性，是指在聚合物分子中的元素的三维空间排列。2.1.4耐腐蚀定义：抵抗能力的材料通过化学或电化学（电化学）反应与它的环境恶化。从本质上讲，腐蚀是通过与它的环境反应的材料的降解。许多聚合物变脆暴露在阳光下。2.2力学性能2.2.1拉伸性能2.2.2剪切强度和弯曲强度2.2

8、.3韧性2.2.4疲劳强度2.2.5蠕变2.2.6硬度2.2.1拉伸性能拉伸试验的应力（应力）用于申请材料和记录材料的响应这种压力。应力（）的定义是分布在身体的横截面面积（A）在身体上的负荷（F）。抗张强度（极限强度）拉伸强度（极限强度）：原来的横截面面积（初始横截面积）的试棒在拉伸试验的最大负荷（最大负荷）的比例。屈服强度（屈服强度）的应力水平下的材料的塑性变形（塑性形变），塑性变形时，材料被永久地拉伸。典型高分子材料的应力 - 应变曲线偏屈服强度（偏屈服强度）：应力下的材料具有指定的偏差（一定偏移，约定为0.2）的比例应力和应变（应力与应变之比）2.2.2剪切强度和弯曲强度剪切强度（剪切强

9、度）：应力断裂所需的形状的横截面的平面内的应变计（标准）的长度平行于试样骨折。特殊夹具（夹具）更换拉伸试样的剪切测试，可以在一台测试机。弯曲强度弯曲强度（挠曲强度）：外层纤维应力，当材料被加载为简支梁（简支梁）和偏转到一定值时的应变。2.2.3韧性冲击强度冲击强度的经典定义是骨折一定体积的材料所需的能量。（材料断裂时单位体积所吸收的能量）在金属和聚合物的冲击强度是最常用的测量由摆锤式冲击机（摆锤式冲击仪）。陶瓷和脆性金属如灰铸铁（灰铸铁）可以忽略不计的韧性（无韧性）。轴的应力与所受力的关系：2.2.5蠕变蠕变用于持续载荷作用下塑性变形的材料的电阻率。定义：与时间相关的应变下的永久应力。（恒定值

10、，应力下随时间缓慢塑性形变的过程）蠕变曲线铁铬镍合金应力断裂曲线2.2.6硬度定义：材料抵抗塑性变形（通常由压痕，压痕法）。常常等同于材料的硬度与耐磨性耐磨性和耐用性（耐久性）。测量硬度大概有100种。莫氏硬度布氏硬度维氏硬度洛氏硬度计邵氏硬度计洛氏硬度计邵氏硬度计聚合物和弹性体（像橡胶塑料）是一种常见的硬度测试邵氏硬度测试。硬度的测量是由一个弹簧加载的（弹簧支撑）针推入材料。硬度与拉伸强度关系2.3物理性质热性能电气性能磁学性质2.3.1热性能热容热膨胀系数导热率热容（热容）材料通过获得或失去声子来获得或失去热量。热容：将材料的温度提高1K所需的能量（J / K）比热容量（比热容）：在所需要

11、的热量的单位质量的物质的温度上升（摄氏的），1Celsius）的比率。 CP，CV。热膨胀系数（热膨胀）原因：吸收热能，相邻原子的间距变大。线胀系数（线性膨胀系数）：每度温度升高产生的应变。应变，温差（T）与线胀系数的关系：=L/L0 =LT热膨胀系数速率的材料伸长（伸长）时加热。率表示为单元的温度上升，在规定的温度范围内的长度每增加一个单位。不同材料线胀系数的大小（10-6）金属材料的线胀系数与熔点有关（金属键），熔点越高，线胀系数越低。聚合物的线胀系数最高（大分子间的作用力主要是范德华力）热应力（T），：材料被加热时，其尺寸变化受到限制时产生的应力。热应力（热应力）与线胀系数，弹性模量之间

12、的关系：T=LT应用：温控开关（TDS），金属表面涂有陶瓷，纤维复合材料导热系数（热导率）热导率：热能在材料内部流动能力的度量。单位面积的热能流与温度梯度（温度梯度）成比例关系：Q / A =T /D单位（单元）：W.m-1 K-1热导率（导热系数）不同材料的热导率 金属材料：取决于声子与自由电子 非金属材料：声子 聚合物材料：导热性差，热绝缘体（无晶格与自由电子）窗玻璃应为90毫米厚。面积为1平方米，厚度为90毫米的玻璃有多重？0.09x1x2500 = 225千克但这样厚的设计尺寸是不合理的。要降低厚度，可以使用有机玻璃，其热导率比陶瓷玻璃小一个数量级。2.3.2电气电阻率和电导率介电性质

13、（介电性质）压电性和电（压电性与电致伸缩）2.3.2.1电器的电阻率和导电性（电阻率与电导率）电阻率：电阻的材料每单位长度和横截面面积，或每单位长度和单位重量。电阻率：微观水平上阻碍电流流动的度量。（= RA /升）电导率：电阻率的倒数，电流通过材料容易程度的度量。（=nQ）材料的电阻率受温度，结构影响。以金属为例子，无论是空穴，位错，都会阻碍电子的运动而使电阻率升高。在半导体材料中，温度升高使材料内载流子的数目增加，所以电阻率降低。陶瓷和聚合物经常使用的用作电气绝缘材料（绝缘体）。它们的相对绝缘能力是衡量诸如耐电弧（耐电弧性），介电强度（电介质强度）和损耗因数（损耗因子）。2.3.2.2介电

14、性能介电性质介电质：凡是不传导电流的物质电场中的介电质的功能：作为绝缘体（绝缘体）与电容（电容）介电常数电介质存在下的电容（电容）与真空电容（真空电容）之比。（= C/C0）介电常数表征介电质贮存电能能力的大小。真空的介电常数为1;电介质的介电常数大于1是由于材料的极化造成的。温度对介电常数也有影响，一般情况下，介电常数随温度的升高而升高。电容材料需要高介电常数，而绝缘材料需要低介电常数。介电强度：材料可以经受的最大电压梯度（电压梯度）（单位厚度的电压）。影响因素：键的类型与晶体结构;湿度（湿度）电流形式（直流，交流）另外温度越高，材料越容易被击穿。绝缘强度：最高的电势差（电压），给定厚度的绝

15、缘材料，能承受指定的时间而不发生电击穿，通过其大量。2.3.2.3压电性和电（压电性与电致伸缩）电致伸缩：材料在电场中因极化而改变尺寸的现象。2.3.3磁学性质磁导率：表征在外磁场作用下物质磁化难易的物理量。磁导率不是常数，随磁场强度改变。0= B0 / HB0：磁流密度（磁电流密度）H：磁场强度（磁感应强度）我们定义具体材料的磁导率与真空磁导率之比为相对磁导率。根据相对磁导率可以将材料分为三大类：反磁材料;顺磁材料;铁磁材料。第三章第3章高分子材料3.1高分子科学基金会3.2塑料3.3弹性体3.4改性塑料和弹性体3.5涂料3.6胶粘剂3.7纤维3.8高分子材料的加工和制造聚合物是什么？来自聚

16、古典希腊字，意思是“多”和聚体，意为“部分”一词聚合物。简单地说，聚合物的长链分子，大量的相同的（同样的）结构的重复单元所组成的。聚合物的概念是二十世纪化学的一个伟大思想。它在20世纪20年代中出现长时间的争论（在持续争议中）和接受是密切相关的名称赫尔曼施陶丁格在1953年获得了诺贝尔奖。聚合物（或大分子）的概念的影响迅速蔓延到许多自然科学和技术领域。一般特性绝缘静态静电积累易成型难回收透明度低的机械性能极轻的重量老化耐化学品易燃着色低服务聚合物产生年代表生产的聚合物为基础的产品从原材料3.1高分子科学基金会3.1.1聚合反应（聚合）3.1.2分子组成和结构（分子的组成与构造）3.1.3凝结国

17、聚合物（聚合物的凝聚态）3.1.1聚合反应（聚合） 聚合过程连锁聚合（链增长的聚合）逐步聚合（逐步聚合）链增长的聚合链增长的聚合涉及几个连续的阶段：链引发，链增长和链终止。（链引发，链增长，链终止）链增长聚合划分为几个亚取决于机制：自由基聚合，阴离子聚合，阳离子聚合或配位聚合自由基聚合，阴离子聚合，阳离子聚合，配位聚合逐步聚合 步增长聚合反应形成的聚酯和聚酰胺的参与。 具有不同分子结构的聚合物，可以使用不同功能的单体（官能度）。 三官能单体产生分支，并最终交联聚合物。3.1.1聚合方法 本体聚合（本体聚合） 溶液聚合（溶液聚合） 悬浮聚合（悬浮聚合） 乳化聚合（乳液聚合）3.1.2分子组成和体

18、系结构（分子的组成与构造） 组成 均聚物（均聚物）只有一种类型的重复单元组成（PVC，PS，PP）。 的共聚物（共聚物）由两个或两个以上的重复单元（A，B，等等）。几类共聚物是可能的：嵌段共聚物（嵌段共聚物），交替共聚物（交替共聚物），接枝共聚物（接枝共聚物）和无规共聚物（无规共聚物）。架构：分子结构的聚合物分子的形状处理。而不同分子量的聚合物的例子示于图3-5和图3-6。3.1.3凝结国聚合物聚合物的聚集态由于在聚合过程中，链增长混合（缠结）在随机模式，这将导致一种无定形（无定形）结构。 （在理论上）实际上，聚合物是半结晶的程度不同，具有无定形结构聚合物仅具有轻微的规律性（有序性），而其它的

19、聚合物可具有高度的crystallity。液晶聚合物的发展方向强度增加的高度取向（取向，棒状）分子。 （液晶聚合物）取向聚合物纤维得到的绘制通过一个模具（模具），从而提高了自己的长处或在拉伸方向取向的无定形聚合物。 （取向聚合物纤维）3.2塑料介绍热塑性塑料热固性高分子材料工程使用，塑料形成生产量最大的一组。细分到热塑性塑料和热固性树脂（热固性树脂）的塑料，这是常见的。 （热塑性塑料，热固性塑料）热塑性塑料可以细分为两类：一般的热塑性塑料和工程热塑性塑料。 （通用塑料与工程塑料）为了说明这一点，可以使用的热塑性片材可作为最终产品，或加热到重塑。已成型一次的热固性树脂部分，它可以不再被进一步整形

20、再加热。（不同点）热塑性塑料的分子结构的非网络，也就是说，直链或支链的链。对于热固性树脂的情况下，一旦固化，形成交联网络。热塑性塑料一般热塑性塑料工程热塑性塑料热塑性塑料包括四个最重要的商品材料，聚乙烯，聚丙烯，聚苯乙烯，聚（氯乙烯） - 连同一些更专门的工程聚合物。术语“热塑性”表示，这些材料在加热熔化，并可能被处理的各种成型和挤出成型技术（挤出法）。一般的热塑性塑料包括，我们每天都会遇到的大部分塑料，如丙烯酸（丙烯酸），和乙烯基化合物（乙烯基）。工程塑料是那些代替传统的工程材料，如钢和木头。有些工程塑料被认为是结构性塑料轴承配套负载能力。每年在中国销售的“四大”通用热塑性塑料，聚乙烯（PE

21、），聚氯乙烯（PVC），聚苯乙烯（PS），聚丙烯（PP），占所有塑料的70左右。PE：产量居第一位合成方法：高压聚合法，中压法，低压法乙酸酯）共聚物）PE可分为低密度聚乙烯（LDPE），高密度聚乙烯（HDPE），中密度乙烯（MDPE）和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）基于聚合方法。挤出和注射成型技术可处理的PE被用作薄膜，管材，商品等由于其高度支化的结构（支化结构），低密度聚乙烯具有高的体积，因此密度低。然而，这是50以上的结晶，其结果，厚LDPE模塑制品是不透明的（不透明的）。低密度聚乙烯被广泛用于吹塑成型的薄膜，电线和电缆（电缆）涂层，和挠性管（软管）由于支化的情况下，高密度聚乙烯（HDP

22、E）具有更小的体积和更高的密度比LDPE。由于这个规律，高密度聚乙烯（HDPE）也是结晶，具有较高的熔点比LDPE。HDPE被用作挤压钢管（挤出管）和挤出单丝（单丝），包括网（网），坦克和电气应用。实际上是线型低密度聚乙烯（LLDPE）的共聚物分子量高的-烯烃（乙烯与少量的脂肪烃），如1 - 丁烯或1 - 己烯。优于那些挤压成型的管材，电线和电缆绝缘层，膜的拉伸强度和低温韧性的LLDPE。在一些应用中，例如吹塑（吹制）膜，它是用少量的LDPE，LLDPE的共混物，优选使用。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）。当聚合物的粘度急剧增大，分子量增加，一些合乎需要的物理性能得到提高到足以证明进行加工所需

23、的能量增加，后的分子量超过一个适中的值。PVC（聚氯乙烯）产量居第二位性能：无定形聚合物，难燃，T 170或受光的作用易分解。应用：薄膜，人造革，管材，门窗，地板等PVC是一种商品热塑性塑料（日用塑料）。硬质PVC（硬质PVC）被广泛应用于建筑，管道和其他应用程序，由于其良好的机械性能，良好的加工性能和良好的阻燃性本身。不幸的是，PVC是容易的，当温度高于170时分解。PS（聚苯乙烯）产量居第三位应用：工业装饰，照明指示，电绝缘材料，玩具，日用品;泡沫塑料。商业聚苯乙烯是一种无定形的脆的聚合物具有高折射率（折射率1.59）。由于其优良的电性能，它被用在许多电气应用，如线圈的形式（线圈管），高频

24、变压器（变频器），电视柜（电视机外壳）。它也被用于家具和一次性餐具（餐具）。PP（聚丙烯）产量居第四位性能：白色蜡状，优异介电性，透明度大于PE，应用：薄膜，电绝缘体，容器，包装品，汽车零部件，管道;丙纶。商业聚丙烯，它是高度结晶的，具有低的密度（0.90公克立方公分）和高熔点。然而，它会降低在户外使用时，除非存在一种抗氧化剂（抗氧剂）。PP的输出是在第四位。 PP可广泛用作薄膜，包装，电绝缘体，容器，管，纤维等。PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）合成方法：自由基聚合：无规立构PMMA;阴离子聚合：有规立构聚甲基丙烯酸甲酯聚合方式：四种氟种类：PTFE（聚四氟乙烯），PVDF（聚偏氯乙烯），PCTF

25、E（聚三氟氯乙烯），PVF（聚氟乙烯）聚四氟乙烯（PTFE）：四氟乙烯的均聚物，力学性能优异，耐化学腐蚀性极强，塑料王。应用：化工机械和容器的防腐，耐磨密封，电绝缘，不粘锅等。聚四氟乙烯（PTFE，特氟龙）聚四氟乙烯是顽固性的（难加工的），但是可以通过冷压细碎成预型体（预成型坯），然后将其在模具中加热，在温度大于300的聚合物成有用的形状形成。聚四氟乙烯具有优异的抗高温和腐蚀性，低摩擦系数（摩擦系数）和电性能优良。聚氯（PCTFE）PCTFE是不太好，但它是在它的抗高温和化学品更容易模制。它用于垫片（密封垫），阀座（阀门座）和观察窗口（观察窗）。3.2.2工程塑料 聚酰胺 聚碳酸酯 聚甲醛（聚

26、甲醛） 聚酯尼龙（PA：聚酰胺）分类：PA66，PA6，PA610，PA612，PA12，PA1010，应用：各种机械，电气部件（齿轮，轴承，风扇叶片，绳索等）改性与新型PA：增强尼龙，芳香尼龙，单体浇铸尼龙等所有的尼龙是因为亲水性（亲水的）酰胺基团的存在下对水敏感的。显然，这种敏感性的比率的亚甲基（CH 2），酰胺基团的增加而减小。最近的研究表明，在适度的高的温度下的降解尼龙的酰胺基氧化的结果。的情况一样，与其他结晶的聚合物，热挠曲温度（热变形温度），尼龙66，增加的热膨胀系数降低，当聚合物被加强（补强）与添加剂，如纤维玻璃，高岭土（高岭土）和云母（云母）。PC：聚碳酸酯合成方法：可由双酚与

27、光气（碳酰氯）缩聚得到。拜耳公司，美国GE，帝人。性能：微黄色，刚硬而韧，良好的尺寸稳定性，耐溶剂，耐碱性差。分类：双酚A型（双酚A）与芳香族（芳香）PC。应用：机器零部件，工具箱，安全帽，泵叶轮，齿轮等。聚碳酸酯（PC），第二个使用最广泛的工程聚合物，是由光气（氯化钴）和双酚-A。然而，这些聚合物不商业化，直到20世纪50年代后期，当拜耳公司和通用电气公司，销售这些工程分别聚合物的商品名称模克隆和Lexan。PC具有优良的耐冲击性，但连续的影响下可能会发生一些变形（变形）。 聚碳酸酯具有良好的透光性（90），韧性，耐适度高的温度下。 用于玻璃聚碳酸酯（装配玻璃），汽车应用，大型容器和器皿（烤

28、箱器皿）。POM：聚甲醛合成方法：以甲醛（甲醛）或三聚甲醛（三聚甲醛）为单体。分类：均聚甲醛与共聚甲醛（热稳定性好）。应用：轴承，齿轮，法兰，仪表外壳，容器等。POM塑料具有良好的机械强度和刚性（硬度），低的摩擦系数（摩擦），润滑性（光滑），以及优异的耐疲劳，冲击，磨损（磨损），和溶剂。这些聚合物中，通常的注射成型，在成型过程中，通常是高的收缩率（收缩），必须对其进行补偿（补偿），在模具的设计。的商业树脂被广泛用于汽车行业的化油器（汽化器）和油箱在硬件（五金器具）手柄和便携式（手提式）工具组件，在通信，电话和立体声音响组件，在工业应用中作为阀（阀），机械部件，泵叶轮（泵叶轮）。聚酯：PET性能

29、：TM = 260，冲击强度高，耐磨，良好的耐蠕变性，硬度大，尺寸稳定性好。聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）是一种结晶性聚合物。用于软饮料瓶的吹塑PET是高度无定形，但PET用于工程中的应用是高度结晶（一个瓶子换一件衣服）PET是今天的主要纤维和重要的工程聚合物。PBT聚酯：1,4 - 丁二醇的直接酯交换法。性能：TM = 225，耐化学药品及耐油性优良，耐热性高，优异的绝缘材料。应用：电气，电子，汽车，机械仪表（电器开关，集成电路基座等）芳香的可加工性芳香族聚酯增强了在重复单位引进更多的亚甲基。因此，由下列公式所示，聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）相比，在PET中的两个亚甲基四亚甲基。3.2.3高级工程塑料 聚苯聚苯撑 聚苯硫醚（PPS） 聚砜（PSU），聚砜 聚芳砜（PAS），聚芳砜 聚醚砜（PES），聚醚砜 聚酮聚酮 热塑性聚酰亚胺（TPI） 聚酰胺酰亚胺（PAI）聚苯撑一个良好的耐热性，分解温度400的顺序。该聚合物是脆的，不溶不熔的（难熔）。3.2.4热固性塑料酚醛树脂（PF）不饱和聚酯（UP