《工程材料科学与设计》(jamesp.schaffer)cha

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1、 工 程 材 料 科 学 与 设 计 （ James P. Schaffer等 著 ）余 永 宁 等 翻 译机 械 工 业 出 版 社非 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3 I 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 体的 形 成 ， 任 何 一 种 材

2、料 都 会 形 成 无 定 形 固 体 。非 晶 态 （ amorphous） 固 体 ： 玻 璃 橡 胶二 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 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T Tg， 大 范 围 的 分 子 运 动

3、 是 不 可 能 的 脆 性Tg T Tm， 玻 璃 转 变 温 度 范 围 内 ， 分 子 有 移 动 能 力 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 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 。高 的 加 载 速 率 ， 有 效 的 Tg高 。 材 料 科 学 与 工 程 导 论 讲 义8 II 粘 性 变 形 材 料 科 学 与 工 程 导 论 讲

4、 义9 粘 性 流 动 是 一 个 热 激 活 过 程 。 流 动 性 的 温 度 关 系 是受 阿 累 尼 乌 斯 方 程 支 配 的 ， 式 中 材 料 常 数 ， Q粘 性 变 形 的 激 活 能01 Qexp RT 0 粘 度 对 温 度 的 依 从 关 系 材 料 科 学 与 工 程 导 论 讲 义10 III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 聚 乙 烯 聚 氯 乙 烯 聚 丙 烯 聚 对 苯 二 甲 酸 乙 二 酯 聚 酰 胺 （ 尼 龙 ） 酚 醛 树 脂 环 氧 树 脂 材 料 科 学 与 工

5、程 导 论 讲 义11 材 料 科 学 与 工 程 导 论 讲 义12 2） 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 讲 义14 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16 4） 构 象 及 构 型 -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TS-不 会 结 晶 ；TP-部 分 结 晶 的 能 力 取 决 于 分 子 是

6、 否 容 易 移 动 并 有效 地 堆 垛 在 一 起 形 成 长 程 有 序 的 难 易 。（ 1） 侧 基 的 尺 寸 ： 越 大 越 不 利 于 结 晶（ 2） 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） 立 构 规 整 度 ： 全 同 和 间 同 立 构 利 于 结 晶（ 4） 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 。（ 5） 键 间 的 二 次 键 材 料 科 学 与 工 程 导 论 讲 义20 半 晶 态 聚 合 物晶 态 金

7、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 叠的 。 球 晶 的 径 向 对 称 在 偏 光 下 观 察 给 予 “ 马 耳 他十 字 ” 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

8、 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 （ C2H4， C2F4和 C2H2Cl2等 ） ， Tg/Tm-1/2；非 对 称 单 体 组 成 的 聚 合 物 （ C2H3R等 乙 烯 基 聚 合 物 ） ，Tg/Tm-2/3。 结 构 与 Tg的 关 系 材 料 科 学 与 工 程 导 论 讲 义30 IV 玻 璃 的 结 构 和 性 能 材 料 科 学 与

9、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 。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 修 饰 体 降 低 一 次 键 的 密 度 ， Tg降 低 。Prexy玻 璃 1 离 子 玻 璃 材 料 科 学 与 工 程 导 论 讲 义33 （ 1） 有 机 玻 璃 ： 聚 甲 基 丙 烯 酸 甲 酯 （ 2） 无 定 形 的 半 导 体 ： 非 晶 Si等 薄 膜 太 阳 能 电 池2 共 价 玻 璃 材 料 科 学 与 工 程 导 论 讲 义34 1

10、） 金 属 很 难 形 成 非 晶 态 。2） 形 成 金 属 玻 璃 所 要 求 的 冷 却 速 度 常 常 超 过 108K/s.3） 金 属 玻 璃 加 热 到 原 子 能 够 移 动 的 温 度 （ Tg T Tm） 它 们 会 很 快 晶 化 。4)半 金 属 在 形 成 金 属 玻 璃 中 的 作 用 。 3 金 属 玻 璃 材 料 科 学 与 工 程 导 论 讲 义35 V 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 。大 多 数 的 玻 璃 材 料 加 热 到 Tg， 分 子 可 以 移 动 就 会晶 化 。有 些 聚

11、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 形成 晶 体 。 材 料 科 学 与 工 程 导 论 讲 义36 1 热 固 性 弹 性 体 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37 2 热 塑 性 弹 性 体 不 交 联3 橡 胶 中 的 晶 化 材 料 科 学 与 工 程 导 论 讲 义38 4 弹 性 模 量 对 温 度 的 依 赖 关 系 材 料 科 学 与 工 程 导 论 讲 义39 5 橡 胶 的 弹 性 材 料 科

12、 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 ）1. 引 入 极 性 基2. 链 段 交 联3. 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 ， 使高 分 子 材 料 的 密 度 增 大 ， 有 利 于 强 度 提 高 。4. 定 向 聚 合 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 C. T. Liu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