航空航天材料工程非金属材料

•相对分子质量大（103-107）。
•由于高分子多是由小分子通过聚合反应而制得的，因此也常被 称为聚合物或高聚物，用于聚合的小分子则被称为“单体”。
n(CH2 = CH2) → [ CH2-CH2 ]n
单体
[ CH2-CH2 ]：链节
n：聚合度
M = nm，M为高分子聚合物的相对分 子量，m为链节的相对分子量
（2）支链形高分子
• 由于加聚过程中有自由基的链转移发生， 形成支链，常易产生支化高分子。
• 支链的存在使线性高分子的性能钝化，如 熔点升高、黏度增加。
（3）网状（交联）大分子
• 大分子链之间通过支链或化学键形成了三维网络或体型结 构。
• 热固性：一经固化成型不得再次成型 • 耐热、机械强度高 • 但脆性大、硬度高，弹性和塑性很低，不能塑性加工 • 交联与支化有本质区别
– 按反应类型：线形，开环，环化，转移，异构化
6.1.1 高分子材料：4. 高分子结构
高分子链的柔顺性 ：
• 一个典型的线形高分子链长度与直径之比 L D是很 大的。
• 例如聚异丁烯大分子 L 2.5 104 nm, D 0.5nm 所以 L D 5 104
• 这就是说，这个大分子长度是直径的5万倍。这样 一根细而长的“网丝”，在无外力作用下，不可 能是一条直线，而是自然的曲线。这就使得聚异 丁烯大分子有着“柔顺性”，也使聚异丁烯材料 有着它独特的“高弹性”。
金属材料
非金属材料
有机聚合物
•纤维 •橡胶 •塑料
无机材料
•水泥 •玻璃 •陶瓷
复合材料
在航天航空工程中，非金属材料一般不单独使用，主要作为复合材料的基 体或增olymer）：是由千百个原子彼此以共价键结 合形成相对分子质量特别大、具有重复结构单元的有机化合物。
L/O/G/O
航空航天材料工程
AEROSPACE MATERIALS ENGINEERING 第6章 非金属材料及其改性
2012-4-13
内容提纲
6.1 非金属材料分类、结构和特点
6.2 非金属材料的改性及其强化
6.3
非金属材料在航空航天中的应用
6.1 非金属材料分类、结构和特点
工程材料 按组织成分分类
•大分子链内原子间以共价键相连接，而大分子链之间的力为 范德华力。 •相对分子量越大，则大分子间结合力越强，高分子化合物的 强度越高。 •相对分子量超过100万的聚乙烯的抗拉强度比50万的高一倍。
6.1.1 高分子材料：4. 2大分子链的形态
• 大分子链的形态有: -线型 -支化 -网状
（1）线型大分子链
近程结构 远程结构
高分子链结构
高分子结构
6.1.1 高分子材料：4. 高分子结构
化学组成 单体单元键合 单体高分子链的键接（交联与支化） 单体单元主体构型（空间排列） 高分子的大小（聚合度、分子量） 高分子链的形态（构象）
晶态 非晶态 取向态 液晶态 织态
高分子聚集态结 构
6.1.1 高分子材料：4. 1 高分子的大小
6.1.1 高分子材料：2.分类
• 按高分子链分： – 碳链高分子 – 杂链高分子 – 元素有机高分子
• 按成品的性能与用途分 – 塑料 – 橡胶 – 纤维 – 其它（涂料、粘合剂）
6.1.1 高分子材料：2.分类
碳链高分子
分子主链全部由碳原子以共价键 相连接。 一般由加成聚合反应制得，如 PE、PP、PVC、PMMA等
6.1.1 高分子材料：5 高聚物的物理、力学状态
•温度不同高聚物处于不同的力学状态，表现的性能也不同。 •线型非晶态高聚物有三种力学状态：玻璃态、高弹态、和粘流态。 •体型高聚物交联密度低时，可有玻璃态和高弹态，没有粘流态；交联密 度大时，只有玻璃态。 •完全结晶的高聚物无高弹态，当温度高于熔点时，直接从玻璃态融化成 粘流态。所以使用温度范围较宽。
6.1.1 高分子材料：4. 3 大分子的聚集态结构
•高分子聚合物一般为固态或液态，无气态。 •固态聚合物分为无定形和结晶型两种类型。 •无定形聚合物：远程无序，近程有序 •结晶型聚合物：具有晶区与非晶区 •随着结晶度的提高，高聚物的密度、强度、硬度、刚度、熔点、 耐热性、化学惰性、及液气渗透性提高，而弹性、塑性、韧性 降低。
• 一般高分子是线型的。分子长链可以卷曲成团，也可以伸展 成直线，这取决于分子本身的柔顺性及外部条件。
• 线型高分子间无化学键结合，所以： - 在受力情况下分子间可以互相移动（流动） 塑性、弹性 - 可在适当溶剂中溶解或溶胀 可溶性 - 可反复软化、熔化又固化，易于加工成型 可熔性
• 例如聚氯乙烯和聚酯等热塑性树脂
支化（可溶，可熔，有软化点） 交联（不溶，不熔，可膨胀）
线型、支化、网状分子的性能差别 ：
• 线型分子：可溶，可熔，易于加工，可重复应用， 一些合成纤维，“热塑性”塑料（PVC，PS等属 此类）
• 支化分子：一般也可溶，但结晶度、密度、强度 均比线型差
• 网状分子：不溶，不熔，耐热，耐溶剂等性能好， 但加工只能在形成网状结构之前，一旦交联为网 状，便无法再加工，“热固性”塑料（酚醛、环 氧树脂属此类）
6.1.1 高分子材料：4. 高分子结构
高分子的柔顺性的实质：
• 高分子的柔顺性的实质就是大量C-C单键的内旋转造 成的。
• 极端情况： 当高分子链上每个键都能完全自由旋转（自由联接 链），“链段”长度就是键长——理想的柔性链 （不存在）。 当高分子链上所有键都不能内旋转——理想的刚性 分子（不存在），“链段”长度为链长。
一般由缩聚反应和开环聚合制得。
6.1.1 高分子材料：2.分类
杂链高分子
聚苯硫醚
6.1.1 高分子材料：2.分类
6.1.1 高分子材料：3.聚合方式
单体
聚合反应
聚合物
• 聚合反应分类：
– 按元素组成和结构变化：加聚，缩聚 – 按反应单体：均聚、共聚
– 按反应活性中心：自由基聚合和离子（阴、阳离 子）聚合
6.1.1 高分子材料：2.分类
杂链高分子
聚己二酰己二胺（聚酰胺66、尼龙66）
聚己内酰胺（聚酰胺6、锦纶、尼龙6）
数字表示单元链节中酸和胺的碳原子数
由单体己内酰胺经开环聚合反应生成线型聚酰胺
mp型聚酰胺是由二元酸HOOC—（C-H2）m-COOH与二元胺 H2N(CH2)pNH2制成的
涤纶（聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚酯） 分子主链除含有碳原子外，还含有O、N、 S等两种或两种以上原子并以共价键相连接。