海洋工程材料.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36.1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103~106之间。4高分

2、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

3、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

4、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。96.1.2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、

5、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。101硅酸盐结构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

6、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。126.2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。131玻璃态当温度低于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

7、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。142．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

8、橡胶的耐寒指标，把Tf称作橡胶的耐热指标。153．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