海洋工程材料 6非金属材料课件.ppt
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1、海洋工程材料(6),非金属海洋材料,1,非金属材料包括除金属材料以外的几乎所有材料,其种类远比金属材料多。船舶与海洋工程中使用的非金属材料包括塑料、橡胶、玻璃钢、混凝土、装饰材料、涂料、木材、玻璃、石油化工产品等。,2,非金属材料的分类,3,6.1非金属材料的结构特点及应用特性,6.1.1高分子材料的结构特点高分子材料也称聚合物或高聚物,是由许许多多分子量特别大的链状大分子所组成。每个大分子中大量结构相同的单元(称作链节)实质上是一种成几种简单的低分子化合物,它们在共价键的作用下,连接成链状结构,其分子量一般在103106之间。,4,高分子材料最典型的代表就是聚乙烯,它的分子是由数量足够多的乙
2、烯小分子打开双键加聚反应后形成的,化学反应方程式如下:,上述这种链状的大分子就是聚乙烯分子,而众多的大分子靠氢键和范德瓦尔斯键聚集在一起,就构成了聚乙烯材料。,5,由此可见,尽管高分子物质的分子量较大,微观结构复杂多变,但仍然有规律可循。因此,可以按照“大分子链的化学组织 大分子链的构型 大分子链的构象 大分子链的聚集态 高聚物的高次结构”这样的结构层次来说明高分子结构特点。,6,大分子链的空间形象称作构象。由于大分子链是由成千上万个原子经共价键连接而成,而每一个链节均可以在保持其键长和键角不变的前提下自由转动。如图所示。因此,整个大分子链表现出一定程度的柔顺性。这种分子链的刚柔性对高聚物的性
3、能影响很大,一般来说,刚性分子链使高聚物的强度、硬度和熔点提高,而柔性分子链则增大高聚物的弹性、韧性和流动性等。,7,大量分子在范德瓦尔斯力作用下聚集在一起,就形成了高分子材料。因此,高分子材料又称作聚合材料。与金属相类似,高分子材料的聚集态也可分成晶态和非晶态。非晶态是指分子链完全无规则地缠绕在一起形成的聚集态;晶态则是指分子链部分或全部整齐有规律地排列起来。表现出晶体的特征。但实际上,把一组完全无规则缠绕的长链分子全部整齐地排列起来是很困难的。因此,绝大部分高聚物均属部分结晶,所以也称作半晶态。,8,高聚物中晶体的存在将增大分子间的作用力,使链的运动变难。因此导致材料的熔点、密度、强度、刚
4、度和耐热性的提高;而使一些决定于链活动能力的性能如弹性、塑性和韧性等指标下降。如果在高聚物中掺入一些其它物质,或将异种链的高分子混合在一起,形成高聚物的高次结构(即高聚物的“合金”),将大大改变高聚物的性能,适应各种使用的特殊要求。,9,6.1.2无机非金属材料的结构特点无机非金属材料是由金属元素和非金属元素的化合物组成的,即由金属或非金属元素的氧化物、碳化物、硅化物、氮化物等以各种不同结构组合而成。因此,离子键和共价键共同作用,就成为无机非金属材料的主要特点之一。尽管无机非金属材料的结构比金属的结构复杂,但其原子间相互组合的方式却主要有两种类型,即硅酸盐结构和氧化物结构。,10,1硅酸盐结构
5、构成硅酸盐的基本结构单元是硅和氧组成的 即硅氧四面体见图所示。其中硅原子处于四面体中心,而氧原子则处于四个顶点,且彼此间以离子键和共价键的混合键结合,键角为145,硅氧四面体结构,11,氧化物结构氧化物结构指的是由氧离子和金属离子组成的氧化物的结构。这种结构特点是氧原子紧密堆集。即大多数氧化物的结构是在氧离子近似密堆的基础上形成的,而正离子位于适当的间隙之中。,12,6.2高分子材料,6.2.1高分子的物理状态当外界条件(温度、相对分子质量、结晶度、交联密度等)发生变化时,高分子材料将处于不同的物理状态,如图所示。具有完全不同的力学和物理性能,给材料的使用带来了很大的影响。,13,1 玻璃态
6、当温度低于Tg时,非晶态高聚物处于玻璃态,此时大分子链间作用较大,分子链和由链节构成的链段都不能自由运动,所以当高聚物受外力作用时,只能发生链段的瞬时微小伸缩和键角的微小改变,故变形较小(1%),且与应力成正比。而当外力消失后,变形立即消失,就像其他低分子固体一样。 常温下处于玻璃态的高聚物,通常作为塑料或合成纤维使用,而玻璃化温度Tg就成为它们的耐热性指标。,14,2高弹态当温度高于玻璃化温度Tg,且低于粘流温度Tf时,高聚物处于高弹态。受外力作用时,由于链段的伸缩和转动,分子链的构象发生较大的变化,而当除去外力后,分子链又回复到原来的状态。于是,使处于高弹态的高聚物表现出独特的性质,如可回
7、复弹性变形量高达1-10倍,而弹性模量却比普通弹性材料小三个数量级。常温处于高弹态的高聚物称作橡胶,因此也称高弹态为橡胶态。由于橡胶的使用温度在Tg和Tf之间,所以习惯上把Tg称作橡胶的耐寒指标,把Tf称作橡胶的耐热指标。,15,3粘流态当温度高于粘流温度Tf后,分子热运动的动能更大,整个大分子链也可以自由移动了,于是高聚物开始变为粘性液体而流动,即处于粘流态。常温下处于粘流态的高聚物只能作为胶黏剂或涂料使用,然而,粘流态对于高聚物加工却有着特别重要的意义,因为不论塑料还是橡胶,他们的加工过程都是先将其加热熔化,再经过注塑、吹塑、模铸、挤压、喷丝等方法,冷却后成型的。,16,4皮革态 当高聚物
8、中存在数量不等的结晶区域时,晶态高聚物在温度达到其熔点Tm之前总是处于坚硬的固体状态。此时,如果温度高于Tg且低于Tm,则高聚物中的非晶态部分处于柔韧的高弹态。而晶态部分却保持着较高的强度和硬度,于是整个高聚物表现为一种既硬又韧的皮革态。皮革态的存在,可以使材料具有较高的强度和韧性,为通过调整和控制结晶度来改变材料的性能提供了可能,故而成为高聚物材料的独特性质之一。,17,6.2.2高分子材料的主要性能,1.强度和韧性,非晶态高聚物的拉伸曲线。曲线a为高聚物处于硬玻璃态的拉伸曲线,试样不发生屈服而呈现出脆性断裂方式曲线b为软玻璃态的拉伸曲线,其抗伸性能 表现出塑性固体材料的特点曲线c为橡胶态高
9、聚物的拉伸曲线,即拉伸时能产生很大的可回复变形曲线d为高聚物在黏流温度附近处半固态和黏流态时的拉伸曲线,表现出受力产生不可逆形变的近似液体的特性。,18,左图为晶态高聚物的拉伸曲线。它与塑性固体材料极为相似,只是在达到屈服以后,分子链沿外力方向排列,分子间作用力增大,因而强度增大。一般说来,屈服应力、强度、弹性模量、硬度等随结晶度的增大而提高,而断裂伸长率和抗冲击性能下降。,19,2高弹性高分子材料的高弹性,是指材料处于高弹态时,具有弹性变形大、弹性模量小,以及弹性变形时有热效应伴随产生等高聚物材料独有的特性。高聚物具有高弹性的内部原因是具有柔性链。,20,3粘弹性,理想的弹性材料,变形与时间
10、无关,粘弹性材料,变形与时间、温度有关,21,受力,1)静态粘弹性静态粘弹性是指初始外加应力或应变恒定不变时,随时间的发展而产生的蠕变和松弛现象。蠕变:在恒定应力作用下变形随时间延长而增加的现象。松弛:高聚物产生一定变形后,在保持变形量不变的条件下,其作用力随时间的推移而逐渐衰减的现象。二者的本质是相同的,都是受外力作用后,高聚物内部调整分子链的构象产生的宏观效应,只是由于外界条件不同而呈现出不同的表现而已。,22,23,2)动态粘弹性是指高聚物受交变应力作用时,出现变形速度落后于应力变化速度的滞后现象和由于这种力学滞后引起的机械能转化为热能的内耗现象。产生的原因是:当高聚物受外力作用时,由于
11、分子链构象的调整需要时间,使应变响应落后于应力变化,故表现出滞后现象。再者当上一次变形尚未回复时施加了下一次应力,使上次变形产生的弹性储能无法释放,只能通过内摩擦转化为热量放出,于是又产生了内耗现象。应当说明的是,滞后现象和内耗的产生是有一定条件的,因为交变应力的频率很低时,分子链构象的调整能够跟得上外力的变化,而交变应力的频率很高时,链段根本来不及运动,这两种情况均不出现动态粘弹性。,24,此外,高聚物材料还具有很多独特的性能,比如高强度、耐腐蚀、吸振消声、耐辐射以及存在老化问题等,应加以注意。,25,6.2.3高分子材料在造船方面的主要应用,1推广高分子材料在船舶与海洋工程上的重要意义(1
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