塑料流變成型原理主講：陳璞精選課件第1章材料科學概述第2章高分子材料的制備反應第3章高分子材料的結構與性能第4章通用高分子材料塑料流變成型原理精選課件第1章材料科學概述1.1材料與材料科學1.2材料結構簡述

1.3材料的性能1.4材料工藝與結構性能的關系精選課件材料是人類進步的里程碑，時代的發展需要材料，而材料又推動時代的發展，所以人們把材料視為現代文明的支柱之一。在新的世紀里，人類面臨著五大問題：人口、糧食、資源、能源與環境。從某種意義上說，材料是一切文明和科學的基礎，它使人類及其賴以生存的社會、環境存在著緊密而有機的聯系。精選課件材料是物質，但不是所有物質都可以成為材料。（一）材料與物質金屬、陶瓷、半導體、聚合物（塑料等）、玻璃、介電材料、纖維、木材等，還有許多復合材料都屬于材料的范疇。一.材料與人類文明及社會現代化精選課件縱觀人類發展的歷史，每一種重要材料的發現和利用，都會把人類支配和改造自然的能力提高到一個新的水平，給社會生產和人類生活帶來巨大的變化。（二）材料是人類文明的里程碑隨著科學技術的發展，功能材料越來越重要。近、現代歷史表明，材料與社會經濟發展、地區開發乃至國家振興是休戚相關的。精選課件材料是人類賴以生存的基礎，材料的發展和進步伴隨著人類文明發展和進步的全過程。材料是國民經濟建設、國防建設和人民生活不可缺少的重要組成部分。根據材料及其在各領域的應用，可劃分為以下幾大部分：信息功能材料；工程結構材料及先進的陶瓷材料；能源結構材料、功能材料與含能材料；低維材料；生物材料；智能化材料；環境材料等。精選課件材料既是人類社會進步的里程碑，又是社會現代化的物質基礎與先導。材料，尤其是新材料的研究、開發與應用反映著一個國家的科學技術與工業水平。（三）材料是社會現代化的物質基礎與先導綜上所述，說明材料特別是新材料與社會現代化及現代文明的關系十分密切，新材料對提高人民生活水平，增加國家安全，提高工業生產率與經濟增長提供了物質基礎，因此新材料的發展十分重要。精選課件（一）材料的單向循環模式二.材料循環——材料、能源與環境地球原材料工業原料資源開采冶金等初加工工程材料產品廢料組合加工制造人類使用后失效進一步加工資源開采－生產加工－消費使用－廢物丟棄精選課件這種單向循環模式必然造成資源緊缺——能源浪費——環境污染的嚴重后果。（二）材料的雙向循環目前人們開始認識到現有的“消耗資源能源－制造產品－排放廢物”這一單向生產模式已經無法持續下去，而應當以仿效自然生態過程物質循環的模式取而代之，建立起廢物能在不同生產過程中循環、多產品共生的工業模式，即所謂的雙向循環模式。循環經濟與知識經濟并稱為世界未來經濟發展的兩模式。精選課件地球綜合利用變為無害廢物工業用原料工程材料產品廢料綜合利用變為無害廢物原材料經過人類處理重新利用后的無害廢物精選課件（三）材料的可持續發展戰略與生態環境材料1.材料的可持續發展戰略（1）盡可能節約資源與能源，盡可能減少對環境的污染。（2）把材料及產品整個壽命周期對環境的協調性作為重要的評價指標。（3）把材料科技與產業的具體發展目標和各國、各地區可持續發展的大目標結合起來。精選課件2.生態環境材料研究與開發的興起生態環境材料是指：同時具有優良的使用性能和最佳環境協調性能的一大類材料。這類材料對資源和能源消耗少，對生態和環境污染小，再生利用率高或可降解和可循環利用，而且要求在制造、使用、廢棄直到再生利用的整個壽命周期中，都必須具有與環境的協調共存性。大力提倡和積極支持開發新型的環境材料，取代那些資源和能源消耗高、污染嚴重的傳統材料。精選課件（一）材料科學與工程的組成要素三.材料成分－結構－合成與加工－性能－使用效能五要素：成分、合成與加工、結構、性能、使用效能。金屬材料：鑄造、成型、連接、機加工、粉末冶金陶瓷材料：鑄造、壓制、燒結聚合物：模制、壓制復合材料：鑄造、成型、連接（二）材料加工工藝方法精選課件（三）性能與使用效能成品狀態的材料具有一整套滿足實際設計要求的性能——強度、硬度、導電性、密度、色彩等。倘若在使用過程中，材料的內部結構沒有變化，那么它將永遠保持這些性能。如果產品遇到使材料內部結構發生變化的使用情況，那么，材料的性能與行為也會發生相應的變化。因此，不僅要考慮初始條件，而且要考慮那些將使材料內部結構發生變化，因而也導致材料性能發生變化的使用條件。精選課件（四）材料設計和選用材料依據產品所需材料的各項性能指標，利用各種有用信息，建立相關模型，制定具有預想的微觀結構和性能的材料及材料生產工藝方法，以滿足特定產品對新材料的需求。1.材料設計2.選用材料選材的基本原則：勝任某一特定功能；綜合性能比較好；材料性能差異定量化；成本、經濟與社會效益；與環境保護盡可能一致。一個好的材料的選用，應是設計——工藝——材料——用戶最佳組合的結果。精選課件材料——具有滿足指定工作條件下使用要求的形態和物理性質的物質。1.1.1材料及材料化過程(材料工藝過程)由化學物質或原料轉變成適用于一定用場的材料，其轉變過程稱為材料化過程或材料工藝過程。或者說，為適應某種使用目的，而對物質體系某種物性、強度、形狀所進行的種種操作或加工就是材料化過程即材料工藝過程。1.1材料與材料科學精選課件1.1.2材料的類別按化學組成分類金屬材料無機材料有機材料（高分子材料）按狀態分類氣態液態固態單晶多晶非晶復合材料精選課件按材料作用分類結構材料功能材料按使用領域分類電子材料耐火材料醫用材料耐蝕材料建筑材料精選課件金屬材料有兩種。一種是利用其固有特性以純金屬狀態使用的；另一種是由幾種金屬組成或加入適當的雜質成分以改善其原有的特性而使用的。1.1.2.1金屬材料金屬材料富于展性和延性，有良好的導電及導熱性、較高的強度及耐沖擊性。在工業上，通常將金屬材料分成黑色金屬（鐵基合金）和有色金屬兩種類型。精選課件

黑色金屬主要是以鐵－碳為基的合金，包括普通碳鋼、合金鋼、不銹鋼和鑄鐵。鋼的性能主要由滲碳體的數量、尺寸、形狀及分布決定。

有色金屬是除鐵之外的純金屬或以其為基的合金。常用的由鋁合金、鎂合金、銅合金、鈦合金等。

金屬材料富于展性和延性，具有良好的導電及導熱性、較高的強度及耐沖擊性。精選課件金屬材料黑色金屬有色金屬碳鋼常用合金鋼不銹鋼鑄鐵普通碳素鋼優質碳素結構鋼碳素工具鋼鋁及鋁合金銅及銅合金鈦及鈦合金精選課件新型金屬材料超高強度鋼低溫合金形狀記憶合金環境材料納米材料超導新材料精選課件無機材料是由無機化合物構成的材料，其中包括諸如鍺、硅、碳之類的單質所構成的材料。硅和鍺是主要的半導體材料，由于其重要性，已獨立成為材料的一個分支。1.1.2.2無機材料主要的無機材料是硅酸鹽材料。主要有玻璃、陶瓷和水泥三大類。無機材料一般硬度大、性脆、強度高、抗化學腐蝕、對電和熱的絕緣性好。精選課件無機材料玻璃水泥傳統陶瓷結構陶瓷工具陶瓷功能陶瓷陶瓷現代陶瓷日用陶瓷建筑陶瓷精選課件高分子材料是由脂肪族和芳香族的C-C共價鍵為基本結構的高分子構成，也稱為有機材料。1.1.2.3高分子材料高分子材料的一般特點是質輕、耐腐蝕、絕緣性好、易于成型加工，但強度、耐磨性及使用壽命較差。按來源可分為天然高分子材料合成高分子材料精選課件按主鏈結構可分為碳鏈高分子材料雜鏈高分子材料元素有機高分子材料按性能和用途可分為橡膠塑料纖維粘合劑涂料功能高分子材料聚合物基復合材料精選課件復合材料是由兩種或兩種以上物理和化學性質不同的物質用適當的工藝方法組合起來，具有復合效應的多相固體材料。1.1.2.4復合材料復合效應是指通過復合所得的產物性能要優于組成它的材料或具有新的性能特點。復合材料應滿足以下幾個條件：由兩種或兩種以上化學、物理性質不同的材料組成；復合材料是用人工方法制造的；復合材料增加了各個組分材料所不具備的性能。精選課件(1)按構成的原料分類根據構成原料在復合材料中的形態，可分成基體材料和分散材料。復合材料有三種命名方法：一是以基體為主；二是以分散材料為主；三是基體和分散材料并用。(2)按復合材料的形態和形狀分類顆粒狀纖維狀層狀精選課件(3)按復合性質分類合體復合（物理復合）生成復合（化學復合）(4)按復合效果分類結構復合材料功能復合材料精選課件1.1.3材料科學的范疇及任務人類歷史可以說是按使用的材料種類來劃分的，一個國家使用的材料品種和數量是衡量這個國家科學和經濟發展水平的重要標志。材料科學是一門以材料為研究對象，介于基礎科學和應用科學之間的應用基礎科學，是一門多學科的綜合性應用基礎科學。精選課件材料科學的內容：一是從化學的角度出發，研究材料的化學組成、鍵性、結構與性能的關系規律；二是從物理學角度出發，闡述材料的組成原子、分子及其運動狀態與各種物性之間的關系。材料科學的主要任務就是以現代物理學、化學等基礎學科理論為基礎，從電子、原子、分子間結合力、晶體及晶體結構、顯微組織、結構缺陷等觀點研究材料的各種性能以及材料在制造和應用過程中的行為，了解結構－性能－應用之間的規律關系，提高現有材料的性能、發揮材料的潛力，并能動地探索和發展新型材料，以滿足工農業生產、國防建設和現代技術發展對材料日益增長的需求。精選課件宏觀組織結構是用肉眼或放大鏡能觀察到的晶粒、相的集合狀態。顯微組織結構或稱亞微觀結構是借助光學顯微鏡、電子顯微鏡可觀察到的晶粒、相的集合狀態或材料內部的微觀區結構。比顯微組織結構更細的一層結構即微觀結構包括原子和分子的排列結構。因為一般分子的尺寸很小，故把分子結構列為微觀結構。1.2材料結構簡述材料結構宏觀組織結構顯微組織結構微觀組織結構精選課件原子是由原子核及圍繞原子核的電子組成。原子核由中子及帶正電的質子組成，因此原子核帶正電。電子通過靜電吸引被束縛于原子核周圍。1.2.1原子結構電子、質子和中子都是基本粒子。因為原子中電子和原子核的數目相等，所以原子是電中性的。精選課件當眾多相同或不相同的原子結合在一起構成聚集狀態的材料時，材料內部的電子結構決定于原子之間的結合鍵及材料的組織結構。由金屬鍵結合起來的金屬材料，其內部有可自由流動的電子，因此稱為導體。由共價鍵結合起來的材料則一般是絕緣體。具有不同缺陷結構的硅和鍺，具有不同的半導體性能。精選課件原子之間或分子之間結合力稱為結合鍵或價鍵。原子間結合力的大小對材料的性質有顯著影響。根據結合力的強弱，可把結合鍵分成主價鍵和次價鍵兩大類。1.2.2結合鍵結合鍵化學鍵（主價鍵、一次鍵）物理鍵（次價鍵、二次鍵）離子鍵共價鍵金屬鍵氫鍵精選課件當一種材料含有兩種或兩種以上原子時，一種原子將其價電子貢獻給另一種原子從而填滿這種原子的外層能殼層，所產生相反電荷的離子相互吸引形成離子鍵。1.離子鍵離子鍵無方向性，鍵能較大。由離子鍵構成的材料具有結構穩定、熔點高、硬度大、膨脹系數小的特點。一般離子晶體無自由電子，故為電和熱的絕緣體。但高溫下可使離子本身運動而導電。精選課件原子之間通過共用電子對而產生的結合作用稱為共價結合即共價鍵。2.共價鍵共價鍵具有方向性和飽和性兩個基本特點。鍵能較大，由共價結合而形成的材料一般都是絕緣體。除高分子材料外，大多數共價結合的材料其延性和展性都比較差。共價鍵的結合形式在材料中很普遍。高分子聚合物中的長鏈分子本身也是由共價鍵結合而成。當然，在聚合物中還含有大量結合力很弱的次價鍵。精選課件例如，在甲烷分子中，碳原子分別與四個氫原子結合，碳原子最外層有四個價電子，氫原子最外層有一個價電子，碳原子分別與四個氫原子通過電子對共用形成具有八個電子的穩定結構，同時，共用電子對還與兩個成鍵原子的原子核互相吸引，構成了甲烷分子中的共價鍵。精選課件低價的金屬元素往往失掉外層的價電子，從而剩下只有原子核和內層電子組成的核心，成為帶正電荷的離子。這時價電子不再與任何一個特定的原子有特殊的關系，而是在金屬正離子之間自由地運動，成為與若干個離子相關的電子，從而把金屬原子結合起來。通過這種相互作用而產生的結合稱為金屬鍵。3.金屬鍵金屬鍵無飽和性和方向性。具有良好的延展性，并且由于自由電子的存在，金屬一般都具有良好的導電、導熱性能。精選課件雖然一種材料的原子可以由單一的鍵結合而成，但更多的則是由兩種以上的鍵力結合而成，我們稱之為混合鍵。事實上，很少有化合物呈現純離子鍵和共價鍵。許多材料，甚至某些金屬材料，都是以三種主要鍵合機制的復雜混合方式結合的。精選課件4.物理鍵惰性氣體的原子和某些飽和分子在一定條件下可以形成固體，在它們的固體中其原子或分子是借范德華力相互結合起來的，這種結合鍵也稱為分子鍵。物理鍵又稱二次鍵或次價鍵，要比一次鍵弱得多。分子間的引力永遠存在于分子之間，與分子內部原子間化學鍵相比是較弱的。事實上，這種鍵在所有原子與分子中均存在，但當有任何一次鍵存在時，它的存在就會被遮蓋忽略了。精選課件分子鍵對于許多聚合物的結構是相當重要的因素，它使聚合物的大分子結合起來成為固態，這正是聚乙烯具有良好可塑性的內部原因。若沒有二次鍵，水在-80℃就會沸騰，地球上所有生命也就不再存在了。二次鍵的作用對于具有穩定電子結構的惰性氣體，以及以共價鍵結合的分子結構中的分子間的結合是很明顯的。它是氣體在很低溫度下能凝聚成液體和固體的原因。精選課件物理鍵一般具有加和性，故高聚物大分子之間具有較強的整體作用。物理鍵可在很大程度上改變材料的性質。不同的高聚物之所以具有不同的性能，分子間的次價鍵力不同是一個很重要的因素。物理鍵有三個來源，即偶極之間的靜電力、誘導力和彌散力。這三種力的比例取決于結構。精選課件氫鍵是一種特殊的分子間的作用力。它是由氫原子同時與兩個電負性很大而原子半徑較小的原子相結合而產生的具有比一般次價鍵大得多的鍵力。5.氫鍵氫鍵具有飽和性。氫鍵在高分子材料中特別重要，它是使尼龍這樣的聚合物具有較大的分子間力的主要因素。氫鍵比范德華鍵強，氫鍵實質上是極性分子的一種特殊情況，它是這些次價鍵中最強的，而且比較普遍。精選課件金屬、陶瓷及高分子材料的一系列特性都和原子的排列密切相關。1.2.3原子排列原子排列可分為三個等級無序排列短程有序，長程無序長程有序材料一般是以固體狀態使用的。按固體中原子排列的有序程度，固體有非晶態結構、結晶態結構兩種基本類型。精選課件惰性氣體原子的無規則排列精選課件水蒸氣短距離內有序精選課件玻璃短距離內有序精選課件金屬等固體材料的原子有序性遍及整個材料精選課件原子排列近程有序而遠程無序的結構稱為非晶態結構或無定形結構，非晶態結構又稱玻璃態結構。1.2.4非晶態結構玻璃態結構的形成主要決定于熔體的粘度。粘度大，冷卻時難以實現分子或離子長程有序的排列而形成玻璃態結構。精選課件多數聚合物，由于有長鏈狀大分子，一般容易生成玻璃態結構。玻璃化的難易除粘度因素外，還與冷卻速度密切相關。冷卻速度越快，越易形成玻璃態結構。具有非晶態結構材料的共同特點是：結構長程無序，物理性質一般是各向同性的；沒有固定的熔點，而是一個依冷卻速度而改變的轉變溫度范圍；塑性形變一般較大，導熱率和熱膨脹性都比較小。精選課件工程材料之所以能夠在機械、車輛、船舶、建筑、化工、能源、儀器儀表、航天工業等工程領域中得到廣泛應用，是因為它具有良好的工藝性能和優良的使用性能。所謂工藝性能是指制造工藝過程中材料適應加工的性能，金屬材料的工藝性能包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理工藝性能等。1.3材料的性能精選課件所謂使用性能是指材料制成零件或產品后，在使用過程中能適應或抵抗外界對它的力、化學、電磁、溫度等作用而必須具有的能力。使用性能又可分為：力學性能，包括各種強度、塑性、韌性、硬度以及斷裂韌性等；物理性能，包括密度、熔點、導電、導熱、磁性以及膨脹系數等；化學性能，包括抗氧化、耐腐蝕性能等。精選課件材料的性能 可分為兩類：一種稱之為特征性能（使用性能），包括熱學、力學、電學、磁學、光學等性能，是屬于材料本身所固有的性質。另一種稱為功能物性，是指在一定條件下和一定限度內對材料施加某種作用時，通過材料將這種作用轉換為另一形式功能的性質。精選課件材料特征性能有以下幾種：1.3.1特征性能（1）熱學性能（2）力學性能（3）電學性能（4）磁學性能（5）光學性能（6）化學性能精選課件固體材料加熱的時候，有三個重要的熱效應，即吸熱、熱膨脹和傳熱。這三個熱效應可用三個參數分別予以描述，即熱容、線膨脹系數和熱導率。（1）熱學性能摩爾熱容是1mol的材料溫度升高1℃或1K所需的熱量。在工程計算時，通常采用比熱容（或稱比熱），即單位質量物質的熱容（J·kg-1·K-1）。材料的結構對比熱容的影響不大。精選課件熱膨脹，大多數固體材料都會隨著環境溫度的升高而發生膨脹。膨脹的原因是原子受熱后其能量增大，發生了偏離平衡位置的振動，導致了原子間距離的增加，從而使材料在宏觀上表現出體積或線性尺寸的增大。材料的熱膨脹性常用其線性膨脹系數（α）表示，其含義是溫度上升1℃時，單位長度的伸長量（單位為℃

-1）。精選課件熱導率，一個物體各部分溫度不均勻或兩個溫度不同的物體相接觸，就會發生熱能從高溫區向低溫區的傳輸，這種現象叫做導熱。比例系數k稱為熱導率，單位為W/(m·K)，負號表示熱能從高溫向低溫傳輸。熱導率是表征材料傳輸熱量的能力，k值越大，材料的導熱性越好。在固體材料中，金屬導熱系數最大，陶瓷和高聚物等非金屬材料，都是熱的不良導體。精選課件所謂材料的力學性能是指在外加載荷（外力）作用下或載荷與環境因素聯合作用下所表現的行為。強度、硬度、塑性、韌性等都屬于材料的力學性能。（2）力學性能材料的力學性能決定于材料的化學成分、組織結構、冶金質量等內在因素，但外在因素，如載荷性質、應力狀態、溫度、環境介質等對材料的力學性能也有很大影響。精選課件

（1）強度。強度是指材料抵抗變形和斷裂的能力。工程上衡量材料強度的指標有：彈性極限、屈服極限、抗拉強度、斷裂強度等，它們可以在應力-應變曲線上測得。（2）塑性。工程材料根據斷裂前是否發生塑性變形，可將它們分成兩大類：脆性材料和塑性材料。陶瓷、玻璃、普通灰鑄鐵等屬于脆性材料，大多數金屬及聚合物屬于塑性材料。精選課件

（3）硬度。硬度是材料表面局部抵抗變形的能力。硬度實驗通常采用壓痕法，壓痕面積越大、越深，材料的硬度就越低。（4）韌性。材料的韌性是材料斷裂時所需要能量的度量。能量是力和距離的乘積，是材料的強度與塑性高低的綜合反映。用焦耳表示。在強度相等的情況下，延性材料斷裂時所需要的能量比脆性材料多，因此它的韌性也比脆性材料高。當