材料科学与工程基础课件：Chapter-06.ppt

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材料科学与工程导论讲义2 Perhaps happiness does not arrange the position, but succeeds must arrange the position.材料科学与工程导论讲义3I 非晶态（无定形态）从理论上讲，如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

2、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材料科学与工程导论讲义4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，在实验时间内区分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。玻璃行为与橡胶行为的临界温度。 材料科学与工程导论讲义5材料科学与工程导论讲义6温度对其分子运动的影响温度对其分子运动的影响T TT Tg g， 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T Tg

3、gT TT Tm m，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） 材料科学与工程导论讲义7加载速率对分子运动的影响（力的响应与时间有关）加载速率对分子运动的影响（力的响应与时间有关）加载速率影响分子移动可利用的时间，它也影响固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。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TgTg高。高。 材料科学与工程导论讲义8II 粘性变形材料科学与工程导论讲义9粘性流动是一个热激活过程。流动性的温度关系是粘性流动是一个热激活过程。流

4、动性的温度关系是受阿累尼乌斯方程支配的，受阿累尼乌斯方程支配的， 式中式中 材料常数，材料常数，Q Q粘性变形的激活能粘性变形的激活能01QexpRT0粘度对温度的依从关系材料科学与工程导论讲义10III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以分子间键合类型对聚合物分类 聚乙烯聚乙烯 聚氯乙烯聚氯乙烯 聚丙烯聚丙烯 聚对苯二甲酸乙二酯聚对苯二甲酸乙二酯 聚酰胺（尼龙）聚酰胺（尼龙） 酚醛树脂酚醛树脂 环氧树脂环氧树脂材料科学与工程导论讲义11材料科学与工程导论讲义122 2）热塑性聚合物和热固性聚合物）热塑性聚合物和热固性聚合物材料科学与工程导论讲义13材料科学与工程导论

5、讲义14聚合度分散度聚合度分散度材料科学与工程导论讲义15材料科学与工程导论讲义164 4）构象及构型）构象及构型-无规立构、全同立构和间同立构无规立构、全同立构和间同立构材料科学与工程导论讲义17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。效地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：材料科学与工程导论讲义18材料科学与工程导论讲义19（3

6、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）键间的二次键材料科学与工程导论讲义20半晶态聚合物半晶态聚合物晶态金属和陶瓷是由单晶一次晶粒组成的。晶态金属和陶瓷是由单晶一次晶粒组成的。半晶态聚合物则是由球晶（晶态和非晶体区域的半晶态聚合物则是由球晶（晶态和非晶体区域的聚合体）组成。聚合体）组成。注意到聚合物链垂直于球晶直径并且是无规折叠注意到聚合物链垂直于球晶直径并且是无规折叠的。球晶的径向对称在偏光下观察给予的。球晶的

7、径向对称在偏光下观察给予“马耳他马耳他十字十字”的外观特征。的外观特征。材料科学与工程导论讲义21材料科学与工程导论讲义22材料科学与工程导论讲义23球晶的偏光显微照片材料科学与工程导论讲义24材料科学与工程导论讲义25材料科学与工程导论讲义26材料科学与工程导论讲义27材料科学与工程导论讲义28材料科学与工程导论讲义29对称单体组成的聚合物对称单体组成的聚合物（C C2 2H H4 4，C C2 2F F4 4和和C C2 2H H2 2ClCl2 2等），等）， TgTg/Tm-1/2/Tm-1/2；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

8、），等乙烯基聚合物），TgTg/Tm-2/3/Tm-2/3。结构与结构与TgTg的关系的关系材料科学与工程导论讲义30IV 玻璃的结构和性能材料科学与工程导论讲义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。材料科学与工程导论讲义32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，降低一次键的密度，TgTg降低。降低。PrexyPrexy玻璃玻璃 1 1 离子玻璃离子玻璃材料科学与工程导论讲义33（1 1）有机玻璃：）有机玻璃： 聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯 （2 2）无定形的半导体：

9、）无定形的半导体： 非晶非晶SiSi等薄膜太阳能电池等薄膜太阳能电池2 2 共价玻璃共价玻璃材料科学与工程导论讲义341 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。 3 3 金属玻璃金属玻璃材料科学与工程导论讲义35V 橡胶和弹性体的结构和性质橡胶的玻璃转变温度在室温以下。橡胶的

10、玻璃转变温度在室温以下。大多数的玻璃材料加热到大多数的玻璃材料加热到TgTg，分子可以移动就会，分子可以移动就会晶化。晶化。有些聚合物拥有能后阻止结晶的独特分子构架。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，很难形聚合物分子链是高度不规则和非对称的，很难形成晶体。成晶体。材料科学与工程导论讲义361 1 热固性弹性体热固性弹性体 通过适度交联阻止分子相互滑动。通过适度交联阻止分子相互滑动。 材料科学与工程导论讲义372 2 热塑性弹性体热塑性弹性体 不交联不交联3 3 橡胶中的晶化橡胶中的晶化材料科学与工程导论讲义384 4 弹性模量对温度的依赖关系弹性模量

11、对温度的依赖关系材料科学与工程导论讲义395 5 橡胶的弹性橡胶的弹性材料科学与工程导论讲义40材料科学与工程导论讲义41高聚物的强化原理（了解）高聚物的强化原理（了解）1 1. . 引入极性基引入极性基2. 2. 链段交联链段交联3. 3. 结晶度和取向结晶度和取向 退火后缓冷会使结晶度增加，并形成较大尺寸的球状晶，使退火后缓冷会使结晶度增加，并形成较大尺寸的球状晶，使高分子材料的密度增大，有利于强度提高。高分子材料的密度增大，有利于强度提高。4. 4. 定向聚合定向聚合 提高高分子材料的结构均一性。提高高分子材料的结构均一性。材料科学与工程导论讲义42材料科学与工程导论讲义43补充内容来自补充内容来自C. T. LiuC. T. Liu的报告的报告材料科学与工程导论讲义44材料科学与工程导论讲义45材料科学与工程导论讲义46材料科学与工程导论讲义47材料科学与工程导论讲义48