海洋工程材料.ppt

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1、海洋工程材料(6)——非金屬海洋材料1非金屬材料包括除金屬材料以外的幾乎所有材料,其種類遠比金屬材料多。船舶與海洋工程中使用的非金屬材料包括塑料、橡膠、玻璃鋼、混凝土、裝飾材料、涂料、木材、玻璃、石油化工產品等。2非金屬材料的分類36.1非金屬材料的結構特點及應用特性6.1.1高分子材料的結構特點高分子材料也稱聚合物或高聚物,是由許許多多分子量特別大的鏈狀大分子所組成。每個大分子中大量結構相同的單元(稱作鏈節(jié))實質上是一種成幾種簡單的低分子化合物,它們在共價鍵的作用下,連接成鏈狀結構,其分子量一般在103~106之間。4高分

2、子材料最典型的代表就是聚乙烯,它的分子是由數(shù)量足夠多的乙烯小分子打開雙鍵加聚反應后形成的,化學反應方程式如下:上述這種鏈狀的大分子就是聚乙烯分子,而眾多的大分子靠氫鍵和范德瓦爾斯鍵聚集在一起,就構成了聚乙烯材料。5由此可見,盡管高分子物質的分子量較大,微觀結構復雜多變,但仍然有規(guī)律可循。因此,可以按照“大分子鏈的化學組織大分子鏈的構型大分子鏈的構象大分子鏈的聚集態(tài)高聚物的高次結構”這樣的結構層次來說明高分子結構特點。6大分子鏈的空間形象稱作構象。由于大分子鏈是由成千上萬個原子經共價鍵連接而成,而每一個鏈節(jié)均可以在保持其鍵長和

3、鍵角不變的前提下自由轉動。如圖所示。因此,整個大分子鏈表現(xiàn)出一定程度的柔順性。這種分子鏈的剛柔性對高聚物的性能影響很大,一般來說,剛性分子鏈使高聚物的強度、硬度和熔點提高,而柔性分子鏈則增大高聚物的彈性、韌性和流動性等。7大量分子在范德瓦爾斯力作用下聚集在一起,就形成了高分子材料。因此,高分子材料又稱作聚合材料。與金屬相類似,高分子材料的聚集態(tài)也可分成晶態(tài)和非晶態(tài)。非晶態(tài)是指分子鏈完全無規(guī)則地纏繞在一起形成的聚集態(tài);晶態(tài)則是指分子鏈部分或全部整齊有規(guī)律地排列起來。表現(xiàn)出晶體的特征。但實際上,把一組完全無規(guī)則纏繞的長鏈分子全部

4、整齊地排列起來是很困難的。因此,絕大部分高聚物均屬部分結晶,所以也稱作半晶態(tài)。8高聚物中晶體的存在將增大分子間的作用力,使鏈的運動變難。因此導致材料的熔點、密度、強度、剛度和耐熱性的提高;而使一些決定于鏈活動能力的性能如彈性、塑性和韌性等指標下降。如果在高聚物中摻入一些其它物質,或將異種鏈的高分子混合在一起,形成高聚物的高次結構(即高聚物的“合金”),將大大改變高聚物的性能,適應各種使用的特殊要求。96.1.2無機非金屬材料的結構特點無機非金屬材料是由金屬元素和非金屬元素的化合物組成的,即由金屬或非金屬元素的氧化物、碳化物、

5、硅化物、氮化物等以各種不同結構組合而成。因此,離子鍵和共價鍵共同作用,就成為無機非金屬材料的主要特點之一。盡管無機非金屬材料的結構比金屬的結構復雜,但其原子間相互組合的方式卻主要有兩種類型,即硅酸鹽結構和氧化物結構。101硅酸鹽結構構成硅酸鹽的基本結構單元是硅和氧組成的即硅氧四面體見圖所示。其中硅原子處于四面體中心,而氧原子則處于四個頂點,且彼此間以離子鍵和共價鍵的混合鍵結合,鍵角為145°硅氧四面體結構11氧化物結構氧化物結構指的是由氧離子和金屬離子組成的氧化物的結構。這種結構特點是氧原子緊密堆集。即大多數(shù)氧化物的結構是在

6、氧離子近似密堆的基礎上形成的,而正離子位于適當?shù)拈g隙之中。126.2高分子材料6.2.1高分子的物理狀態(tài)當外界條件(溫度、相對分子質量、結晶度、交聯(lián)密度等)發(fā)生變化時,高分子材料將處于不同的物理狀態(tài),如圖所示。具有完全不同的力學和物理性能,給材料的使用帶來了很大的影響。131玻璃態(tài)當溫度低于Tg時,非晶態(tài)高聚物處于玻璃態(tài),此時大分子鏈間作用較大,分子鏈和由鏈節(jié)構成的鏈段都不能自由運動,所以當高聚物受外力作用時,只能發(fā)生鏈段的瞬時微小伸縮和鍵角的微小改變,故變形較?。?1%),且與應力成正比。而當外力消失后,變形立即消失,就像

7、其他低分子固體一樣。常溫下處于玻璃態(tài)的高聚物,通常作為塑料或合成纖維使用,而玻璃化溫度Tg就成為它們的耐熱性指標。142.高彈態(tài)當溫度高于玻璃化溫度Tg,且低于粘流溫度Tf時,高聚物處于高彈態(tài)。受外力作用時,由于鏈段的伸縮和轉動,分子鏈的構象發(fā)生較大的變化,而當除去外力后,分子鏈又回復到原來的狀態(tài)。于是,使處于高彈態(tài)的高聚物表現(xiàn)出獨特的性質,如可回復彈性變形量高達1-10倍,而彈性模量卻比普通彈性材料小三個數(shù)量級。常溫處于高彈態(tài)的高聚物稱作橡膠,因此也稱高彈態(tài)為橡膠態(tài)。由于橡膠的使用溫度在Tg和Tf之間,所以習慣上把Tg稱作

8、橡膠的耐寒指標,把Tf稱作橡膠的耐熱指標。153.粘流態(tài)當溫度高于粘流溫度Tf后,分子熱運動的動能更大,整個大分子鏈也可以自由移動了,于是高聚物開始變?yōu)檎承砸后w而流動,即處于粘流態(tài)。常溫下處于粘流態(tài)的高聚物只能作為膠黏劑或涂料使用,然而,粘流態(tài)對于高聚物加工卻有著特別重要的意義,因為不論塑

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