高分子材料

高分子材料

高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料。我们接触的很多天然材料通常是高分子材料组成的，如天然橡胶、棉花、人体器官等。人工合成的化学纤维、塑料和橡胶等也是如此。一般称在生活中大量采用的，已经形成工业化生产规模的高分子为通用高分子材料，称具有特殊用途与功能的为功能高分子。

树枝，兽皮，稻草等天然高分子材料是人类或者类似人类的远古智能生物最先使用的材料。在历史的长河中，纸，树胶，丝绸等从天然高分子加工而来的产品一直同人类文明的发展交织在一起。

从十九世纪开始，人类开始使用改造过的天然高分子材料。硫化橡胶和硝化纤维塑料（赛璐珞）是两个典型的例子。

航空非金属材料主要包括塑料、橡胶与密封剂、胶粘剂、纺织品、绝缘材料、航空油料与润滑剂、涂料等，期中塑料又可分为工程塑料、透明塑料、玻璃纤维增强塑料和树脂复合材料等。这些材料是航空工业发展历史中随着高分子材料工业的发展而形成的新体系。

合成高分子材料主要分为塑料、橡胶或弹性体及纤维三大类。

高分子材料的物理性能：

●兼有固态和液态物质的性质；

●溶解成溶液后粘度特别大；

●在溶剂中会溶胀；

●能形成纤维或薄膜。

高分子材料的力学性能：

●像胶的弹性

?在受到拉伸时可以产生很大变化，在拉伸时放热，热量很小。?在完全拉伸时具有较高的拉伸强度，而拉伸弹性模量较小。?当外力释去时拉伸的橡胶会很快收缩到原来的形状，永久变

形小。

●高分子材料的粘弹性。(高分子物在受交变力作用时，其作出的形变速度跟不上应力变化速度，则产生滞后的现象) 固态高分子材料最特殊的是其力学性能随着时间而有显

著变化。

●高分子材料的断裂与疲劳破坏

虽然一般认为高分子材料具有韧性、可变形性，可是在一定的温度、应变速率和应力条件下，也常常产生脆性断裂，有时也会在没有显著的塑性变形或尺寸变化时，发生局部的断裂现象。这种断裂的产生多半是由于温度低，受高的载荷速率(如冲击) 或是长期受加载而产生的疲劳破坏。

高分子材料的热学性能：

●耐热性

材料的耐热性常常是在高温下测定变形—热变形或在高温下测定力学性能来表示之。

耐热高分子材料在航空非金属材料中的应用和发展极为重要，有机硅树脂是优异的耐热绝缘材料，有机硅橡胶和氟橡胶是应用比较普通的耐热弹性体的耐热密封材料，氟塑料作为耐热零件的使用、聚酰亚胺用作耐热绝缘材料和耐高温结构用塑料已经发展很多年。

●热氧化与热降解作用

高分子受热作用易于分解成低分子聚合物或单体，称为热降解。热降解在空气或氧气存在时尤为剧烈，高分子受热易于氧化分解常常是高分子的热降解作用的原因之一。

高分子材料的光学性能：

高分子材料的光学性能在航空上有很重要的意义。飞机的座舱盖、风档、机身的许多舷窗都用透明的高分子材料制成，它的特点是受冲击不易破碎，重量比无机玻璃轻，易于加工成曲面形状，缺点是表面硬度低，不耐磨损的擦伤，耐热温度不高，但是这类高分子材料在航空上是不可缺少的。它们的主要光学性能如下：

●透光性和雾度

●折射

●光的畸变

高分子材料的电性能：

●绝缘性

●击穿强度

塑料

是指以高分子量的合成树脂为主要组分，加入适当添加剂，如增塑剂、稳定剂、阻燃剂、润滑剂、着色剂等，经加工成型的塑性（柔韧性）材料，或固化交联形成的刚性材料。

塑料的分类

1．根据热性能和加工性能

●热塑性塑料：受热软化并可反复加热成型

如聚氯乙烯塑料、聚丙烯塑料

●热固性塑料：受热固化定型后不能再加热熔融成

型

如酚醛塑料、有机硅塑料

2．按用途分

●通用塑料：产量大

如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯

●工程塑料

如聚碳酸酯、聚苯醚、聚酰胺、聚甲醛

●特种塑料

如医用塑料、导电塑料、耐高温塑料

塑料的特性

〈1〉耐化学侵蚀

塑料对酸、碱、盐溶液具有良好的抗腐蚀能力。聚四氟乙烯对酸、碱最为稳定，对“王水”也不受其影响。

〈2〉具光泽，部份透明或半透明

聚甲基丙烯酸甲酯俗称“有机玻璃”，具有良好的透光性而且质轻，可用于制造飞机座舱盖及光学仪器等。聚乙烯醇缩丁醛也有良好的透光性，而且柔软，有弹性、粘结性能好，可粘合夹层防弹玻璃，在飞机上已广泛使用。

〈3〉大部分为良好绝缘体

塑料具有良好的电绝缘性能，可以与陶瓷、橡胶等媲美。

〈4〉重量轻且坚固

塑料的相对密度为0.83～2.30，约为铝的1/2,比钢轻3/4。

〈5〉耐磨性好

大部分塑料的摩擦系数都比较低，具有自润滑条件下有效的工作，广泛用作轴承、齿轮、活塞环等。

〈6〉优良的消声和减振效用

塑料的吸振性良好，可制成摩擦零件，机器运转时减小噪音，降低振动，提高运动速度。泡沫塑料可用作隔音材料、隔热或保温材料。酚醛、有机硅树脂等热固性硬质泡沫塑料的强度高，可用于超音速飞机及火箭中的雷达罩和隔热夹心结构等。

塑料的缺点：

1、回收利用废弃塑料时，分类十分困难，而且经济上不合算。

2、塑料容易燃烧，燃烧时产生有毒气体。例如聚苯乙烯燃烧时产生甲苯，这种物质少量会导致失明，吸入有呕吐等症状，PVC燃烧也会产生氯化氢有毒气体，除了燃烧，就是高温环境，会导致塑料分解出有毒成分，例如苯环等。

3、塑料是由石油炼制的产品制成的，石油资源是有限的。

我们关心的主要缺点是塑料的力学性能不如金属材料好，耐热性低，长期使用温度为70～2000C，个别品种达到300～3500C；热导性差；热膨胀系数比金属大3～10倍，因而尺寸稳定性受温度影响大；表面硬度低；在使用和贮存过程中容易受环境因素和应力作用而老化。

常用的航空塑料材料：

氟塑料(FEP)

氟塑料是部分或全部氢被氟取代的链烷烃聚合物，它们有聚四氟乙烯（PTFE）、全氟（乙烯丙烯）（FEP）共聚物、聚全氟烷氧基（PFA）树脂、聚三氟氯乙烯（PCTFF）、乙烯一三氟氯乙烯共聚物（ECTFE）、乙烯一四氟乙烯（ETFE）共聚物、聚偏氟乙烯（PVDF）和聚氯乙烯（PVF）。

主要特性为耐热性、耐腐蚀性、介电性能优异；摩擦系数小、能自润滑，力学性能差，不吸湿。

●聚四氟乙烯

简称F—4，俗称“塑料王”。

英文缩写为PTFE，商标名Teflon?，中文译名则各地相异：中国大陆译为特富龙，香港译为特氟龙，台湾译为铁氟龙?，一般统称作“不粘涂层”；是一种使用了氟取代聚乙烯中所有氢原子的人工合成高分子材料。这种材料具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂。同时，聚四氟乙烯具有耐高温的特点，它的摩擦系数极低，所以可作润滑作用之余，亦成为了水管内层的理想涂料。

PTFE可制成粒料、凝结的细粉（0．2微米）和水分散液。粒状树脂用于压塑和柱塞挤塑；细粉可以糊状挤塑成薄壁材料；水分散液可用作涂料和浸渍多孔材料。

主要性能如下：

?耐腐蚀性：能够承受除了熔融的碱金属，氟化介质以及高于300℃氢氧化钠之外的所有强酸（包括王水）、强氧化剂、还原剂和各种有机溶剂的作用。

?绝缘性：不受环境及频率的影响，体积电阻可达1018欧姆?厘米，介质损耗小，击穿电压高。

?耐高低温性：对温度的影响变化不大，温域范围广，可使用温度-190~260℃。

?自润滑性：具有塑料中最小的摩擦系数，是理想的无油润滑材料。

?表面不粘性：已知的固体材料都不能粘附在表面上，是一种表面能最小的固体材料。

?耐大气老化性，耐辐照性能和较低的渗透性：长期暴露于大气中，表面及性能保持不变。

?不燃性：限氧指数在90以下。

聚四氟乙烯塑料已广泛应用到电子工业、化学工业、航空工业、机械工业以及火箭、导弹、宇宙飞行等尖端科学技术和军事部门。例如飞机上的高压导管、各种垫圈、电缆等。

聚四氟乙烯在常态下是无毒，但当聚四氟乙烯煮食器具在温度达到500°F(260℃)之后便开始变质，并且在660°F(350℃)之上开始分解。这些剥蚀物可令鸟致死, 并可使人产生类似流感的症

状。

聚三氟氯乙烯

是结晶度高的材料，其密度大，硬度、刚性都较高，但冲击性能差。有190O C以下有一定的机械强度。

其工程性能如下：

1) 对所有腐蚀性化学药品的除少数溶剂外和各种溶剂

具有耐腐蚀性。

2) 尺寸稳定性好。

3) 热膨胀和热收缩率低。

4) 不吸湿。是已知塑料中，对水、水蒸气和其他流体的渗透性最低的一种材料。

5) 机械强度和稳定性极好。

6) 耐热性极好，在－740～204O C温度范围内能保持良好的性能。

7) 耐紫外线和耐天候性极好。

8) 148O C下，其硬度迅速下降。

聚三氟氯乙烯广泛用于化工设备、电器仪表及军工产品等方面。例如用于氧气调节器密封件、耐腐蚀衬垫、液氧的密封件、血液过滤器、火箭推进器栅栏、耐腐蚀液观察玻璃镜等。

聚碳酸酯(PC)

聚碳酸酯无色透明，耐热，抗冲击，阻燃，在普通使用温度内都有良好的机械性能。同性能接近聚甲基丙烯酸甲酯相比，聚碳酸酯的耐冲击性能好，折射率高，加工性能好。

聚碳酸酯的耐磨性差。一些用于易磨损用途的聚碳酸酯器件需要对表面进行特殊处理。

聚碳酸酯的工程性能如下：

1)耐热性极好，玻璃化转变温度约为145O C，熔融温度约为250O C。

2)刚性和韧性极好。

3)在很宽的温度范围内，冲击强度极好。

4)在很宽的条件范围内，可保持尺寸的稳定性。

5)兼有高弹性模量和高可塑性。

6)吸水性低。

7)折射指数高。透明度好，薄膜透光率可达90%。但因对紫外线敏感，容易受气候的不利影响。

8)电气性能极好，在很宽的温度、频率和温度范围内，仅发生很小的变化。但涉及强电弧时不能采用。

9)本身具有自熄性能。

10)聚碳酸酯能防污染，并已被“食品、药品管理部门”批准可安全地与所有类型的食品一起使用。

11)疲劳耐久性低，在长期载荷作用下，应力不应超过该材料拉伸或压缩强度的10%。

12)对金属的起始摩擦系数低，但在高速和加载条件下可能因过度磨损而咬住。

聚碳酸酯是日常常见的一种材料。由于其无色透明和优异的抗冲击性，日常常见的应用有CD/VCD光盘，桶装水瓶，婴儿奶瓶，防弹玻璃，树脂镜片、银行防子弹之玻璃、车头灯罩、动物笼子、登月宇航员的头盔面罩等等。

聚酰胺(PA)

俗称“尼龙”。尼龙是世界上第一种完全人造的纤维，其原材料是煤、水和空气。

PA具有良好的综合性能，包括力学性能、耐热性、耐磨损性、耐化学药品性和自润滑性，且摩擦系数低，有一定的阻燃性，易于加工，适于用玻璃纤维和其它填料填充增强改性，提高性能和扩大应用范围。PA的品种繁多，有PA6、PA66、PA46、PA610、PA612等。

聚酰胺塑料的工程性能如下：

1．高强度和高伸长率使尼龙具备了许多应用所必须的韧性。

2．耐磨性极好，摩擦系数低。

3．冲击强度高。

4．在振动条件下，耐疲劳性能良好。

5．未稳定处理的尼龙可连续使用在高于79O C的温度。热稳定处理高的品级则可连续使用到121O C，如果设计合理，间歇

使用要达204O C温度。

6．属于自熄型。

7．吸收如乙醇、乙二醇和水等极性材料则因此而软化。

8．各种尼龙会受强酸、强氧化剂、酚、甲酸和某些高浓度盐的腐蚀。

由于聚酰胺具有无毒、质轻、优良的机械强度、耐磨性及较好的耐腐蚀性，因此广泛应用于代替铜等金属在机械、化工、仪表、汽车等工业中制造轴承、齿轮、泵叶及其他零件。聚酰胺熔融纺成丝后有很高的强度，主要做合成纤维并可作为医用缝线。

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)

以丙烯酸及其酯类聚合所得到的聚合物统称丙烯酸类树酯，相应的塑料统称聚丙烯酸类塑料，其中以聚甲基丙烯酯甲酯应用最广泛。聚甲基丙烯酸甲酯缩写代号为PMMA，俗称有机玻璃，是迄今为止合成透明材料中质地最优异，价格又比较适宜的品种。

聚甲基丙烯酸甲酯的工程性能如下：

1.是一种透明材料，可以透过可见光90%，比玻璃的

透光度高。紫外光73%，普通玻璃只能透过0.6％的紫外线。

2.光学性能和外观均具有极好的耐气候能力。聚甲

基丙烯酸甲酯具有优异的耐大气老化性，其试样经4年自然老化试验，重量变化，拉伸强度、透光率略有下降，色泽略有泛黄，抗银纹性下降较明显，冲击强度还略有提高，其它物理性能几乎未变化。

3.尺寸稳定性好。

4.耐污染性极好。

5.耐盐水性好。

6.在-40O C温度下仍具有良好的冲击强度。

7.电气性能好。

8.热冲击后仍有良好的耐开裂性。

9.可粘接性和热封合性好。不受霉菌有机物侵蚀。

10.聚甲基丙烯酸甲酯表面硬度低，容易擦伤。

11.吸水率低

聚甲基丙烯酸甲酯用飞机的座舱透明件，汽车透明外壳件、无线电和电视机零件、照明和制图仪器的反光件、容器、透镜、光学系统、模型、建筑用壁板、室外标记和陈列品。

橡胶

橡胶（Rubber）：具有可逆形变的高弹性聚合物材料。在室温下富有弹性，在很小的外力作用下能产生较大形变，除去外力后能恢复原状。

橡胶一词来源于印第安语，意为“流泪的树”。天然橡胶就是由三叶橡胶树割胶时流出的胶乳经凝固、干燥后而制得。另外，无花果树和一些大戟科的植物也能提供橡胶。德国在第二次世界大战时由于橡胶供应被切断，曾尝试从这些植物取得橡胶，但后来改为生产人造橡胶。

最初的橡胶树生长于南美洲，但经过人工移植，现在东南亚也种有大量的橡胶树。事实上，亚洲已成为最重要的橡胶来源地。

1770年，英国化学家J.普里斯特利发现橡胶可用来擦去铅笔字迹，当时将这种用途的材料称为rubber，此词一直沿用至今。

橡胶除了高弹性之外，还兼顾了耐高低温、耐介质、耐老化等优异性能，加之各种加工工艺方法如模压、挤出、压延、擦胶、硫化的日益完善，使它成为飞机、导弹、火箭、人造卫星、航天飞机等现代飞行器中不可缺少的材料之一。

随着飞机向高速、高空、大型化方向发展，以及强度上要求延长它的有效使用期限，对橡胶材料的性能要求也就越来越高，如：

1)应有好的耐高低温性能。高温要求175～250O C，

甚至在350O C下长期工作，500O C以上能短期工作。耐低温-70O C，甚至达到-100O C。对橡胶的工作温度范围也要求很广，台-70～+300O C下工作等。

2)良好的耐介质性能。橡胶在燃料、液压、润滑系

统介质作用下应性能稳定，另外也能满足其它特殊工作介质的要求。

3)好的耐老化性。橡胶在光、热、臭氧、氧、射线、

应力、雨水和霉菌等的作用下性能稳定。

4)好的耐磨性。用在飞机轮胎及活动密封件如皮碗、

油封等橡胶，在高速、高载荷下应有良好的耐磨性。

5)耐高压。飞机的气动液压系统为了减少体积，提

高效率，要求橡胶制品在21～25MPa的压力下长期工作。

6)长的使用寿命。要求满足航空产品1000～1600h

的要求。

7)好的贮存稳定性。要求成型好的橡胶制品，其有

效贮存斯长达10年而不变质。

橡胶的分类

按制取来源分为天然橡胶与合成橡胶。合成橡胶是以石油、天然气为原料，以二烯烃和烯烃为单体聚合而成的高分子。

虽然现时超过一半的橡胶都是人造的，但天然橡胶仍然在一些范畴显得十分重要，如汽车及军事等工业。

按适用范围分类，分为通用橡胶与特种橡胶。这种分类方法主要还是依据加工成橡胶制品所要求的适用范围来分的，象特种橡胶，就是指用它们来专门制造在特殊条件的范围内使用的橡胶制品，如在高温、低温、酸、碱、合成油等条件下使用的橡胶制品。

通用橡胶有天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶等，特种橡胶有丁腈橡胶、聚乙丁烯橡胶等。

其他在分类方法中还有一些其他的分类方法，如航空上按制品可分为轮胎、软油管、胶管、密封制品、减振制品等橡胶制品几大类。另外，还可以按它对温度的适应性分为高温橡胶与低温橡胶等。

橡胶的特性

橡胶和其他材料的主要区别是它具有综合的塑性与弹性。

可塑性是指材料在外力作用下改变形状与尺寸，而外力作用停止后保持这种给定的新形状的能力。

弹性是指材料在外部负荷作用下改变其形状并且在去除外部负荷后，以迅速地恢复到其最初状态的能力。

弹性是橡胶制品最宝贵的性能，这也是它区分于其他材料

的主要标志。

橡胶除了高弹性之外，还具有良好的扯断强度与疲劳强度、硬度、耐寒性和耐热性、耐介质性、不透水与不透气等特性。

航空橡胶编号方法

编号采用四位阿拉伯数字表示，第一位表示：生胶类别代号；第二位表示生胶型别代号；第三位表示：4～9表示胶料硫化硬度；第四位表示：0～9表示胶料序号。

第一位的数字1表示异戊二烯类；2 表示聚丁二烯类；3表示丁苯类；4表示卤代丁二烯类；5表示丁腈类；6表示硅橡胶类；氟橡胶类；乙丙胶类；其他橡胶类。

如5471,5表示丁腈类橡胶，4表示丁腈—40,7表示硬度十位数字为7，我表示第二个配方。

天然橡胶NR 由橡胶树采集胶乳制成,是异戊二烯的聚合物.具有很好的耐磨性、很高的弹性、扯断强度及伸长率.在空气中易老化,遇热变粘,在矿物油或汽油中易膨胀和溶解,耐碱但不耐强酸. 优点：弹性好，耐酸碱。

缺点：不耐候，不耐油(可耐植物油) 是制作胶带、胶管、胶鞋的原料，并适用于制作减震零件、在汽车刹车油、乙醇等带氢氧根的液体中使用的制品。由于它在通用橡胶中多面手的地位，也是它成为飞机轮胎用主要橡胶成分的原因，它还可制成不与油接触的橡胶减振器、多用飞机缓冲绳、防弹油箱的中间层海绵胶等。

丁腈胶NBR

由丙烯睛与丁二烯共聚合而成，丙烯睛含量由

18%~50% ，丙烯睛含量越高，对石化油品碳氢燃料油之抵抗性愈好，但低温性能则变差，一般使用温度范围为-25~100 ℃。丁晴胶为目前油封及O 型圈最常用之橡胶之一优点：具良好的抗油,抗水,抗溶剂及抗高压油的特性

具良好的压缩性，抗磨及伸长力。

缺点：不适合用于极性溶剂之中,例如酮类、臭氧、硝基烃。航空上主要用于制作燃油箱、润滑油箱以及系液压油、汽油、水、硅油、二酯系润滑油等流体介质中使用的橡胶零件,特别是密封零件.可说是目前用途最广、成本最低的橡胶密封件。

航空中常用的丁腈类橡胶有5080、5160、试5170、5172、5260、5270、5470、5471、5480、P214等。