工程材料及应用

    “工程材料”是高等院校机械类和近机械类专业一门重要的技术基础课。随着科学技术
的发展，新材料和新技术的不断问世及应用，对工程材料的教学也提出了新的要求。本书
是依据高等教育面向21世纪教学内容和课程体系改革项目“机械类专业人才培养方案及教
学内容和课程体系改革的研究与实践”的研究成果，结合目前教改的基本指导思想和原则
以及实施素质教育和加强技术创新的精神，根据高等学校机械类教学的实际需要而编写
的，属于西安电子科技大学出版社组织国内部分本科院校编写的高等学校机械设计制造及
其自动化专业“十一五”规划教材之一。
    本书以材料的性能一结构一组织一应用这一普遍规律为主线，系统地阐述了金属材
料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料的基本原理、基本知识和工程应用三个层次的内容。
同时，书中也引入了较多的新材料与新技术等知识，有利于培养学生的创新意识，拓宽学
生专业知识面，让学生及时了解当前国内外*新工程材料的发展动向。与以往同类教材相
比，本书具有以下几方面的特点：
    (1)精简了理论叙述，丰富和深化了理论基础知识。
    (2)注重实践应用。在阐述基础知识的同时，还在不同失效形式的选材分析、典型工
件的选材及工艺路线设计等方面注重紧密联系生产实际。
    (3)详细地介绍了工程材料的应用。
    (4)书中增加了新材料和新技术等知识的内容，反映了工程材料的发展趋势。
    (5)本书适应性强，有较大的选择余地，可根据不同专业的需要及课时要求选择适当
的内容进行讲授。
    参与本书编写的人员都是多年从事本专业工作的教师、科研工作者，他们分别是：青
岛科技大学的汪传生、刘春廷、李镇江、马伯江、张淼、林广义、丛海燕、赵朋成、王为波，
青岛零点电子有限公司的马继，海军航空工程学院青岛分院的韩莉，中国科学院金属研究
所的刘朝霞、刘俊。全书由汪传生和刘春廷担任主编，由马继和刘伟负责统稿，由江苏大
学的张永康教授和青岛科技大学的赵程教授负责主审。
    在本书的编写过程中，中国科学院金属研究所的胡壮麒院士、管恒荣研究员和孙晓峰
研究员参加了审稿工作，提出了许多宝贵的意见。本书参考了已出版的多种教材(见参考
文献)，并注意吸收各院校、研究所和企业的教学改革经验及科研成果。在此，谨向上述涉
及的单位和个人表示衷心的感谢!
    由于编者水平有限，加之时间仓促，书中难免存在不足之处，恳请广大读者批评指正。
    编  者
    2007年9月

第6章  高分子材料
6．1  概    述
    材料、能源、信息是当代科学技术的三大支柱。其中，材料是一切技术发展的物质基
础，而高分子材料是材料领域的重要组成部分，由于其原料来源丰富，制造方便，品种众
多，因此在材料领域中的地位日益突出。高分子材料为发展高新技术提供了更多、更有效
的高性能结构材料、高功能材料以及满足各种特殊用途的专用材料。如在机械和纺织工
业，由于采用塑料轴承和塑料齿轮来代替相应的金属零件，车床和织布机运转时的噪声大
大降低，从而改善了工人的劳动条件；塑料同玻璃纤维制成的复合材料——玻璃钢，由于
它比钢铁更加坚固，被用来代替钢铁制备船舶的螺旋桨和汽车的车架、车身等。高分子材
料的发展也促进了医学的进步，如用高分子材料制成的人工脏器、人工肾和人工角膜等使
一些器官性疾病不再是不治之症。总之，目前高分子材料在尖端技术、国防、国民经济以
及社会生活的各个方面都得到了广泛的应用。
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，主要是指以有机高分子化合物(不包括无机高分子化合
物)为主体组成的或加工而成的具有实用性能的材料。
    按照高分子材料来源，高分子材料分为天然高分子材料和合成高分子材料两大类。天
然高分子材料主要有天然橡胶、纤维素、淀粉、蚕丝等；合成高分子材料的种类繁多，如合
成塑料、合成橡胶、合成纤维等。
    按照用途，高分子材料主要分为塑料、化学纤维、橡胶、胶粘剂、涂料和复合材料等几
类，其中塑料、合成纤维和合成橡胶的产量*大，品种*多，统称为三大合成材料。
    按照材料学观点，高分子材料分为结构高分子材料和功能高分子材料，前者主要利用
它的强度、弹性等力学性能，后者主要利用它的声、光、电、磁和生物等功能。
6．1．2高分子化合物的力学状态
    当温度在一定范围内变化时，高聚物可经历不同的力学状态，它反映了大分子运动的
不同形式。在恒定应力下高聚物的温度一形变之间的关系可反映出分子运动与温度变化的
关系。对于不同的聚合物，其温度一形变曲线也不相同。下面就几种不同类型的聚合物分别
给予介绍。
 1．非晶聚合物的力学状态
    当温度变化时，非晶聚合物存在着三种不同的力学状态，即玻璃态、高弹态和粘流态。
    高聚物出现这三种力学状态是由高分子链的结构特点及其运动特点决定的。高分子链
是由许多具有独立活动能力的链段所组成的，因此，一个高分子链具有两种运动单元：整
个大分子的运动和大分子中各个链段的运动。正是高聚物分子链运动的二重性决定了非晶
态高聚物的三种力学状态。
    当温度很低时，分子间的作用能大于分子的热运动能，此时，不但整个大分子的运动
被冻结，甚至链段的运动也被冻结(分子的内旋转被冻结)，即分子之间和链段之间的相对
位置都被固定着，只有分子中的原子在其固定位置上进行着振动运动。与之对应的高聚物
则处于坚硬的固体状态，即玻璃态。玻璃态的力学行为是：当施加外力后只能引起原子间
键长和键角的微小变化，因此高聚物形变很小。当外力消除后，高聚物立即恢复原状，即
形变是可逆的，这种形变称为普弹形变，它的特点是形变量小、瞬时完成和可逆性。
    若温度逐渐升高，分子的热运动能逐渐增加，当达到某一温度范围后，虽然热运动能
还不能使整个分子链发生相对移动，但却足够能使分子中的链段运动起来，此时的高聚物
即处于高弹态，发生的形变为高弹形变。高弹态的力学行为是：当施加外力后，分子链在
外力作用下由原来的卷曲状态变成了伸展状态，使高聚物产生很大的形变，当外力消除
后，被拉伸的链又会逐渐再卷曲起来(链段运动的结果)，恢复原状，因而也是可逆形变。
高弹形变的特点是形变量很大、具有可逆性和需要松弛时间(即完成形变和恢复原状都需
要一定的时间才能完成)。
    若温度继续上升，热运动能继续增加，当达到某一温度后，不但分子链的链段可以自
由运动，而且整个分子链之间也可以产生相对移动，此时高聚物就处于粘流态了。粘流态
的力学行为是：当施加外力后，高聚物会产生无休止的永久形变，即当外力消除后形变也
不会恢复原状的不可逆形变。
    高聚物的上述三种力学状态可以用高
聚物的温度一形变曲线表现出来，如图
6—1所示。温度一形变曲线是在恒定应力
下，对高聚物样品进行连续升温．，观测在
不同温度下样品的形变值。
    由图6—1可见，在恒定应力下，这三
种不同力学状态下高聚物的形变值是有明
显差别的。但是，由于三种力学状态的转
变并不是相变，因此形变值在转变点并没
有发生突变，即没有发生间断点，而是连
续性的转变。这些转变点的温度，由高弹态到玻璃态的转变温度，叫做玻璃化温度，以
表示；由高弹态到粘流态的转变温度，叫做粘流温度，以丁。表示。高聚物的温度一形变曲
线的形状与高聚物的分子量大小、分子结构等有很大关系，当分子量小时，将不出现高弹
态平台，只有当聚合物的分子量达到一定程度时，才出现高弹态，这也是橡胶都具有很高
分子量的原因。
 2．结晶性高聚物的温度一形变曲线
    凡在一定条件下能够结晶的高聚物统称为结晶性高聚物。结晶高聚物的结晶度不同，
分子量不同，其温度一形变曲线也不相同。当结晶度高于40％时，微晶贯穿整个材料，非
晶区丁。将不能明显出现，只有当温度升高到熔融温度丁m时，晶区熔融，高分子链热运动
加剧，如果聚合物的分子量不太大，体系进入
粘流态(此时L—ft)，如果聚合物分子量很
高，ft>丁m，则在丁m之后仍会出现高弹态，
然后当丁一丁t时，体系才进入粘流态。如果
聚合物的结晶度不高，则也会出现玻璃化转
变的形变，但Tg以后，链段有可能按照结晶
结构的要求重新排列成规则的晶体结构。图
6—2为分子量不同的结晶高聚物的温度一形
变曲线。由图可以看出，高弹态与粘流态的过
渡区随分子量M的增大而增大。
    3．交联高聚物的力学状态
    交联使高分子链之间以化学键相结合，若不破坏化学键，分子键之间就不能产生相对
位移，随着交联度的提高，不仅形变能力变差，而且不存在粘流态，既不能溶解，也不能熔
融，当交联度增加到一定数值之后，聚合物就不会随温度升高而出现高弹态。
    4．多相聚合物的力学状态
    对于共混或接枝、嵌段共聚物，多数是处于微观或亚微观相分离的多相体系。在该种
体系中视各组分可能出现两个以上玻璃化转化区，每个转化区表示一种均聚物的特性。对
于某些嵌段和共聚混合物材料，在外力的作用下会出现应变，诱发塑料一橡胶转变。
    6．2  工程塑料
    工程塑料是指可以作为结构材料，能在较广的温度范围内，在承受机械应力和较为苛
刻的化学物理环境中使用的塑料材料。与通用塑料相比，工程塑料产量较低，价格较高，
但具有优异的机械性能、化学性能、电性能以及耐热性、耐磨性和尺寸稳定性等，在电子、
电器、机械、交通、航空航天等领域获得了广泛应用。
6．2．1工程塑料的组成
    工程塑料是以高分子化合物为主要成分，添加各种添加剂所组成的多组分材料。根据
作用不同，添加剂可分为固化剂、增塑剂、稳定剂、增强剂、润滑剂、着色剂等，现主要介
绍以下几种。    
    1．固化剂
    固化剂的作用是通过交联使树脂具有体型网状结构，成为较坚硬和稳定的塑料制品。
如在酚醛树脂中加入六亚甲基四胺，在环氧树脂中加入乙二胺等。