材料科学与工程导论课件：Chapter-06-Rain整理更新文字.pptx

1、 工程材料科学与设计工程材料科学与设计（James P. SchafferJames P. Schaffer等著）等著）余永宁等翻译余永宁等翻译机械工业出版社机械工业出版社非晶态与半晶态材料非晶态与半晶态材料 Perhaps happiness does not Perhaps happiness does not arrange the position, but arrange the position, but succeeds must arrange the succeeds must arrange the position.position.2I 非晶态（无定形态）从理论上讲，如

2、果熔体冷却速度足够快以抑制晶体从理论上讲，如果熔体冷却速度足够快以抑制晶体的形成，任何一种材料都会形成无定形固体。的形成，任何一种材料都会形成无定形固体。非晶态（非晶态（amorphousamorphous）固体：）固体： 玻璃玻璃 橡胶橡胶二者结构相似，差别在于分子重排列的能力不同二者结构相似，差别在于分子重排列的能力不同3玻璃转变温度玻璃转变温度非晶态材料的特征非晶态材料的特征 对任何一个无定形固体，在实验时间内对任何一个无定形固体，在实验时间内区分玻璃行为与橡胶行为的临界温度。区分玻璃行为与橡胶行为的临界温度。 4液态液态-晶体固态转变晶体固态转变液态液态-玻璃转变玻璃转变半晶态材料的比

3、体积与温度的变化半晶态材料的比体积与温度的变化5温度对其分子运动的影响温度对其分子运动的影响T TTgTg， 大范围的分子运动是不可能的大范围的分子运动是不可能的 脆性脆性TgTgT TTmTm，玻璃转变温度范围内，玻璃转变温度范围内， 分子有移动能力分子有移动能力 过冷液体（对于聚合物，称为橡胶）过冷液体（对于聚合物，称为橡胶） 6加载速率对分子运动的影响（力的相应与加载速率对分子运动的影响（力的相应与时间有关）时间有关）加载速率影响分子移动可利用的时间，它加载速率影响分子移动可利用的时间，它也影响固体的有效玻璃转变温度。也影响固体的有效玻璃转变温度。高的加载速率，有效的高的加载速率，有效的

4、TgTg高。高。 7II 粘性变形 固体和液体对所加切应力的响应的比较(a)固体,切应力产生常量的切应变(b)液体, 切应力产生常量的切应变速率d/dt8粘度对温度的依从关系粘性流动是一个热激活过程.流动性的温度关系就如在第4章讨论扩散系数一样,是受阿累尼乌斯(Arrhenius)方程支配的式中,0是材料 常数,Q是粘性变形的激活能是粘性变形的激活能.)exp(10RTQ9III无定形和半晶态聚合物的结构和性质以分子间键合类型对聚合物分类 聚乙烯 聚氯乙烯 聚丙烯 聚对苯二甲酸乙二酯 聚酰胺（尼龙） 酚醛树脂 环氧树脂1011图6-5 两种聚酯的比较(a)PET的示意图示(显示具有饱和键结构,

5、结果形成TP聚合体) (b)在这个未饱聚酯的骨架上存在双键,允许交联的形成 (c)在未饱和聚酯上由酚单体C2H5(C6H5)交联形成TS聚合物特征的三维一次键网络2）热塑性聚合物和热固性聚合物12图6-6 TS聚合物酚醛(Bakelite)结构(a)结构的基本积木块(1-3数字表示与3个相邻单体形成一次键的位置) (b)基本积木块的简化表示 (c)在TS聚合物中三维一次键合网络的二维表示并不是所有的TS都是包含未饱和的双键形成的13聚合度分散度iiiiinNMNMiiiiiwwMwMFICURE15.3 Hypothetical polymer molecule size distributi

6、ons on the basis of (a) number and (b) weight fractions of moleculesNumber FractionMolecular weight (103g/mol)Molecular weight (103g/mol)14FICURE15.4 Distribution of molecular weights for a typical polymerMolecular weight Weight average MwWeight average MnAmount of polymer 聚合度分散性nwMMPD 154）构象及构型）构象及

7、构型-无无规立构、全同立构和规立构、全同立构和间同立构间同立构聚苯乙烯的构型平面图示(a)全同立构 (b)间同立构 (c)无规立构(注意:C6H5环实际上比示意图中给出的大很多.)16决定聚合物结晶度的因素决定聚合物结晶度的因素TS-TS-不会结晶；不会结晶；TP-TP-部分结晶的能力取决于分子是否容易移动并有效地部分结晶的能力取决于分子是否容易移动并有效地堆垛在一起形成长程有序的难易。堆垛在一起形成长程有序的难易。（1 1）侧基的尺寸：越大越不利于结晶）侧基的尺寸：越大越不利于结晶（2 2）链分支的程度：）链分支的程度：17图6-11 聚氯乙烯中链的分支图示说明有分支的链比没有分支的链形成晶

8、体难得多18（3 3）立构规整度：）立构规整度： 全同和间同立构利于结晶全同和间同立构利于结晶（4 4）重复单元的复杂性）重复单元的复杂性 有长重复单元的聚合物一般延缓晶化过程。有长重复单元的聚合物一般延缓晶化过程。（5 5）键间的二次键）键间的二次键19半晶态聚合物半晶态聚合物冋顾晶态金属和陶瓷是由单晶晶粒组成的,半晶态聚合物则由球晶(晶态和悲晶态区域的集合体)组成的,如图6-12a所示.注意到聚合物链垂直于球晶直径并且无规折叠的.球晶的径向对称在偏光下观察给予它”马耳他十字”的外观特征,如图6-12b所示.20在半晶态聚合物中的晶球(a)正在长大的晶球的示意图 (b)在交叉偏光观察的放大的

9、马耳他十字特征晶态薄层层间非晶态聚合物长大方向(径向)分子取向(垂直于径向)21FIGURE 15.15 A transmission photomicrograph (using cross-polarized light) showing the spherulite structure of polyehtylene. Linear boundaries form between adjacent spherulites. And within each spherulite appears a Maltese crossl. 525X. (Courtesy F.P.Price. Gen

10、eral Electic Company)10022球晶的偏光显微照片23242526What happens if you metl then cool a polymer?Formation of polymer crystals spherulites engineering polymers can be up to 60% crystaline27Folding of the polymer chain into a regular orderQ. How does this affect the mechanical properties?28 对称单体组成的聚合物（对称单体组成的

11、聚合物（C C2 2H H4 4，C C2 2F F4 4和和C C2 2H H2 2ClCl2 2等），等）， Tg/Tm1/2Tg/Tm1/2； 非对称单体组成的聚合物（非对称单体组成的聚合物（C C2 2H H3 3R R等乙烯基聚合物），等乙烯基聚合物），Tg/Tm2/3Tg/Tm2/3。结构与结构与TgTg的关系的关系2930IV 玻璃的结构和性能对晶态多形体的X-射线扫描的比较(a)无定形氧化硅 (b)氧化硅31同一物质的晶态和玻璃态中的短程有序是相同的。同一物质的晶态和玻璃态中的短程有序是相同的。任何材料都可能形成玻璃。任何材料都可能形成玻璃。32 1 1离子玻璃离子玻璃33如何

12、推测哪一种氧化物会是玻璃菜成体?扎卡赖亚森(Zacharasen)的研究回答了这一问题.他列出如下一组规则来推测一个氧化物是否会形成大面积的玻璃网络:1.氧化物玻璃网络由氧的多面体组成.2.在玻璃网络中每一个氧原子的配位数应为2(即CN(O)=2)3.在玻璃网络中每一个金属原子的配位数应是3或4即CN(M)=3或4.注意,这会导致如前面讨论过的(SiO4)4-四面体结构或者是将在下面讨论的如(BO3)3-三角形结构.4.氧化物多面体是以顶点而还是以棱和面共享连接的.5.每一个多面体最低限度必需有三个顶点与其他多面体连接.34 网络形成体网络形成体 网络修饰体网络修饰体 降低一次键的密度，降低一

13、次键的密度，TgTg降低。降低。 PrexyPrexy玻璃玻璃35SiO2玻璃中的网络修饰体Na2O （1 1）有机玻璃）有机玻璃 （2 2）无定形的半导体）无定形的半导体2共价玻璃共价玻璃363 3金属玻璃金属玻璃1 1）金属很难形成非晶态。）金属很难形成非晶态。2 2）形成金属玻璃所要求的冷却速度常常超过）形成金属玻璃所要求的冷却速度常常超过10108 8K/s.K/s.3 3）金属玻璃加热到原子能够移动的温度）金属玻璃加热到原子能够移动的温度 （TgTgT TTmTm）它们会很快晶化。）它们会很快晶化。4)4)半金属在形成金属玻璃中的作用。半金属在形成金属玻璃中的作用。 37V 橡胶和弹

14、性体的结构和性质 橡胶的玻璃转变温度在室温以下。大多数的玻璃材料加热到Tg，分子可以移动就会晶化。有些聚合物拥有能后阻止结晶的独特分子构架。聚合物分子链是高度不规则和非对称的，很难形成晶体。381 热固性弹性体通过适度交联阻止分子相互滑动。 392 热塑性弹性体 不交联3 橡胶中的晶化40FIGURE 6.6-4 Changes in polymer structure as a result of an applied load. (a) unaligned chains in an unloaded polymer, ,and (b) chains aligned under an applied load.4 4 弹性模量对温度的依赖关系弹性模量对温度的依赖关系41弹性模量与温度间的关系(a)没有交联的无定形聚合物 (b)结晶百分数增加的影响(c)交联密度增加的影响5 5 橡胶的弹橡胶的弹性性42没 有伸展和伸展橡胶的比较(a)没有伸展橡胶的随机卷曲构象 (b)伸展或平面锯齿构象, 其中链末端之间的距离最大L=卷曲构象的链与链的末端的距离(a)43图6-24 平面锯齿构象与部分卷曲链等价象数目的比较(a)平面锯齿构象 (b)部分卷曲链44