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工程材料及應用 版權信息
- ISBN：9787560619507
- 條形碼：9787560619507 ; 978-7-5606-1950-7
- 裝幀：暫無
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
工程材料及應用 節選
“工程材料”是高等院校機械類和近機械類專業一門重要的技術基礎課。隨著科學技術
的發展，新材料和新技術的不斷問世及應用，對工程材料的教學也提出了新的要求。本書
是依據高等教育面向21世紀教學內容和課程體系改革項目“機械類專業人才培養方案及教
學內容和課程體系改革的研究與實踐”的研究成果，結合目前教改的基本指導思想和原則
以及實施素質教育和加強技術創新的精神，根據高等學校機械類教學的實際需要而編寫
的，屬于西安電子科技大學出版社組織國內部分本科院校編寫的高等學校機械設計制造及
其自動化專業“十一五”規劃教材之一。
本書以材料的性能一結構一組織一應用這一普遍規律為主線，系統地闡述了金屬材
料、高分子材料、陶瓷材料和復合材料的基本原理、基本知識和工程應用三個層次的內容。
同時，書中也引入了較多的新材料與新技術等知識，有利于培養學生的創新意識，拓寬學
生專業知識面，讓學生及時了解當前國內外*新工程材料的發展動向。與以往同類教材相
比，本書具有以下幾方面的特點：
(1)精簡了理論敘述，豐富和深化了理論基礎知識。
(2)注重實踐應用。在闡述基礎知識的同時，還在不同失效形式的選材分析、典型工
件的選材及工藝路線設計等方面注重緊密聯系生產實際。
(3)詳細地介紹了工程材料的應用。
(4)書中增加了新材料和新技術等知識的內容，反映了工程材料的發展趨勢。
(5)本書適應性強，有較大的選擇余地，可根據不同專業的需要及課時要求選擇適當
的內容進行講授。
參與本書編寫的人員都是多年從事本專業工作的教師、科研工作者，他們分別是：青
島科技大學的汪傳生、劉春廷、李鎮江、馬伯江、張淼、林廣義、叢海燕、趙朋成、王為波，
青島零點電子有限公司的馬繼，海軍航空工程學院青島分院的韓莉，中國科學院金屬研究
所的劉朝霞、劉俊。全書由汪傳生和劉春廷擔任主編，由馬繼和劉偉負責統稿，由江蘇大
學的張永康教授和青島科技大學的趙程教授負責主審。
在本書的編寫過程中，中國科學院金屬研究所的胡壯麒院士、管恒榮研究員和孫曉峰
研究員參加了審稿工作，提出了許多寶貴的意見。本書參考了已出版的多種教材(見參考
文獻)，并注意吸收各院校、研究所和企業的教學改革經驗及科研成果。在此，謹向上述涉
及的單位和個人表示衷心的感謝!
由于編者水平有限，加之時間倉促，書中難免存在不足之處，懇請廣大讀者批評指正。
編 者
2007年9月
第6章 高分子材料
6．1 概 述
材料、能源、信息是當代科學技術的三大支柱。其中，材料是一切技術發展的物質基
礎，而高分子材料是材料領域的重要組成部分，由于其原料來源豐富，制造方便，品種眾
多，因此在材料領域中的地位日益突出。高分子材料為發展高新技術提供了更多、更有效
的高性能結構材料、高功能材料以及滿足各種特殊用途的專用材料。如在機械和紡織工
業，由于采用塑料軸承和塑料齒輪來代替相應的金屬零件，車床和織布機運轉時的噪聲大
大降低，從而改善了工人的勞動條件；塑料同玻璃纖維制成的復合材料——玻璃鋼，由于
它比鋼鐵更加堅固，被用來代替鋼鐵制備船舶的螺旋槳和汽車的車架、車身等。高分子材
料的發展也促進了醫學的進步，如用高分子材料制成的人工臟器、人工腎和人工角膜等使
一些器官性疾病不再是不治之癥。總之，目前高分子材料在尖端技術、國防、國民經濟以
及社會生活的各個方面都得到了廣泛的應用。
6．1．1 高分子材料的基本概念
高分子材料也叫聚合物材料，主要是指以有機高分子化合物(不包括無機高分子化合
物)為主體組成的或加工而成的具有實用性能的材料。
按照高分子材料來源，高分子材料分為天然高分子材料和合成高分子材料兩大類。天
然高分子材料主要有天然橡膠、纖維素、淀粉、蠶絲等；合成高分子材料的種類繁多，如合
成塑料、合成橡膠、合成纖維等。
按照用途，高分子材料主要分為塑料、化學纖維、橡膠、膠粘劑、涂料和復合材料等幾
類，其中塑料、合成纖維和合成橡膠的產量*大，品種*多，統稱為三大合成材料。
按照材料學觀點，高分子材料分為結構高分子材料和功能高分子材料，前者主要利用
它的強度、彈性等力學性能，后者主要利用它的聲、光、電、磁和生物等功能。
6．1．2高分子化合物的力學狀態
當溫度在一定范圍內變化時，高聚物可經歷不同的力學狀態，它反映了大分子運動的
不同形式。在恒定應力下高聚物的溫度一形變之間的關系可反映出分子運動與溫度變化的
關系。對于不同的聚合物，其溫度一形變曲線也不相同。下面就幾種不同類型的聚合物分別
給予介紹。
1．非晶聚合物的力學狀態
當溫度變化時，非晶聚合物存在著三種不同的力學狀態，即玻璃態、高彈態和粘流態。
高聚物出現這三種力學狀態是由高分子鏈的結構特點及其運動特點決定的。高分子鏈
是由許多具有獨立活動能力的鏈段所組成的，因此，一個高分子鏈具有兩種運動單元：整
個大分子的運動和大分子中各個鏈段的運動。正是高聚物分子鏈運動的二重性決定了非晶
態高聚物的三種力學狀態。
當溫度很低時，分子間的作用能大于分子的熱運動能，此時，不但整個大分子的運動
被凍結，甚至鏈段的運動也被凍結(分子的內旋轉被凍結)，即分子之間和鏈段之間的相對
位置都被固定著，只有分子中的原子在其固定位置上進行著振動運動。與之對應的高聚物
則處于堅硬的固體狀態，即玻璃態。玻璃態的力學行為是：當施加外力后只能引起原子間
鍵長和鍵角的微小變化，因此高聚物形變很小。當外力消除后，高聚物立即恢復原狀，即
形變是可逆的，這種形變稱為普彈形變，它的特點是形變量小、瞬時完成和可逆性。
若溫度逐漸升高，分子的熱運動能逐漸增加，當達到某一溫度范圍后，雖然熱運動能
還不能使整個分子鏈發生相對移動，但卻足夠能使分子中的鏈段運動起來，此時的高聚物
即處于高彈態，發生的形變為高彈形變。高彈態的力學行為是：當施加外力后，分子鏈在
外力作用下由原來的卷曲狀態變成了伸展狀態，使高聚物產生很大的形變，當外力消除
后，被拉伸的鏈又會逐漸再卷曲起來(鏈段運動的結果)，恢復原狀，因而也是可逆形變。
高彈形變的特點是形變量很大、具有可逆性和需要松弛時間(即完成形變和恢復原狀都需
要一定的時間才能完成)。
若溫度繼續上升，熱運動能繼續增加，當達到某一溫度后，不但分子鏈的鏈段可以自
由運動，而且整個分子鏈之間也可以產生相對移動，此時高聚物就處于粘流態了。粘流態
的力學行為是：當施加外力后，高聚物會產生無休止的永久形變，即當外力消除后形變也
不會恢復原狀的不可逆形變。
高聚物的上述三種力學狀態可以用高
聚物的溫度一形變曲線表現出來，如圖
6—1所示。溫度一形變曲線是在恒定應力
下，對高聚物樣品進行連續升溫．，觀測在
不同溫度下樣品的形變值。
由圖6—1可見，在恒定應力下，這三
種不同力學狀態下高聚物的形變值是有明
顯差別的。但是，由于三種力學狀態的轉
變并不是相變，因此形變值在轉變點并沒
有發生突變，即沒有發生間斷點，而是連
續性的轉變。這些轉變點的溫度，由高彈態到玻璃態的轉變溫度，叫做玻璃化溫度，以
表示；由高彈態到粘流態的轉變溫度，叫做粘流溫度，以丁。表示。高聚物的溫度一形變曲
線的形狀與高聚物的分子量大小、分子結構等有很大關系，當分子量小時，將不出現高彈
態平臺，只有當聚合物的分子量達到一定程度時，才出現高彈態，這也是橡膠都具有很高
分子量的原因。
2．結晶性高聚物的溫度一形變曲線
凡在一定條件下能夠結晶的高聚物統稱為結晶性高聚物。結晶高聚物的結晶度不同，
分子量不同，其溫度一形變曲線也不相同。當結晶度高于40％時，微晶貫穿整個材料，非
晶區丁。將不能明顯出現，只有當溫度升高到熔融溫度丁m時，晶區熔融，高分子鏈熱運動
加劇，如果聚合物的分子量不太大，體系進入
粘流態(此時L—ft)，如果聚合物分子量很
高，ft>丁m，則在丁m之后仍會出現高彈態，
然后當丁一丁t時，體系才進入粘流態。如果
聚合物的結晶度不高，則也會出現玻璃化轉
變的形變，但Tg以后，鏈段有可能按照結晶
結構的要求重新排列成規則的晶體結構。圖
6—2為分子量不同的結晶高聚物的溫度一形
變曲線。由圖可以看出，高彈態與粘流態的過
渡區隨分子量M的增大而增大。
3．交聯高聚物的力學狀態
交聯使高分子鏈之間以化學鍵相結合，若不破壞化學鍵，分子鍵之間就不能產生相對
位移，隨著交聯度的提高，不僅形變能力變差，而且不存在粘流態，既不能溶解，也不能熔
融，當交聯度增加到一定數值之后，聚合物就不會隨溫度升高而出現高彈態。
4．多相聚合物的力學狀態
對于共混或接枝、嵌段共聚物，多數是處于微觀或亞微觀相分離的多相體系。在該種
體系中視各組分可能出現兩個以上玻璃化轉化區，每個轉化區表示一種均聚物的特性。對
于某些嵌段和共聚混合物材料，在外力的作用下會出現應變，誘發塑料一橡膠轉變。
6．2 工程塑料
工程塑料是指可以作為結構材料，能在較廣的溫度范圍內，在承受機械應力和較為苛
刻的化學物理環境中使用的塑料材料。與通用塑料相比，工程塑料產量較低，價格較高，
但具有優異的機械性能、化學性能、電性能以及耐熱性、耐磨性和尺寸穩定性等，在電子、
電器、機械、交通、航空航天等領域獲得了廣泛應用。
6．2．1工程塑料的組成
工程塑料是以高分子化合物為主要成分，添加各種添加劑所組成的多組分材料。根據
作用不同，添加劑可分為固化劑、增塑劑、穩定劑、增強劑、潤滑劑、著色劑等，現主要介
紹以下幾種。
1．固化劑
固化劑的作用是通過交聯使樹脂具有體型網狀結構，成為較堅硬和穩定的塑料制品。
如在酚醛樹脂中加入六亞甲基四胺，在環氧樹脂中加入乙二胺等。
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