材料性能总结 (1)

第1章绪论

金属材料的基本特性：

①结合键为金属键，常规方法生产的金属为晶体结构

②金属在常温下一般为固体，熔点较高

③具有金属光泽

④纯金属范性大，展性、延性也大

⑤强度较高

⑥自由电子的存在，金属的导热和导电性好

⑦多数金属在空气中易被氧化

高分子材料的基本特性：

①结合键主要为共价键和范德华键

②分子量大，无明显熔点，有玻璃化转变温度、粘流温度；并有热塑性和热固性两类

③力学状态有玻璃态、高弹态和粘流态，强度较高

④质量轻

⑤良好的绝缘性

⑥优越的化学稳定性

⑦成型方法较多

⑦有长的分子链

无机非金属材料（以陶瓷为例）的基本特性：

①结合键主要是离子键、共价键以及它们的的混合键

②硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感

③熔点较高，具有优良的耐高温、抗氧化性能

④自由电子数目少、导热性和导电性较小

⑤耐化学腐蚀性好

⑥耐磨损

⑦成型方式为粉末制坯、烧结成型

材料科学与工程四要素:

材料科学与工程的定义（国际公认）是：研究有关材料成份/结构、制备/合成、性能/组织和使用效能及其关系的科学技术与生产。

第2章材料结构简述

结合键的类型与材料的物理性能和力学性能的关系： 1.物理性能：

①熔点：熔点的高低代表了材料稳定性的程度。熔点与键能值有较好的对应关系。共价键、离子键化合物的熔点较高，其中纯共价键的金刚石具有最高的熔点，金属的熔点相对较低，这是陶瓷材料比金属具有更高热稳定性的根本原因。金属中过渡族金属有较高的熔点，特别是难熔金属W、Mo、Ta等熔点更高，这可能起因于内壳层电子未充满，使结合键中有一定比例的共价键混合所致。具有分子间力结合的材料，它们的熔点一定偏低，如聚合物等。②材料的密度与结合键类型有关：大多数金属有高的密度：金属元素有较高的相对原子量；金属键的结合方式没有方向性，总是趋于密集排列。陶瓷材料的密度较低：原子排列不可能致密，共价结合时，相邻原子的个数要受到共价键数目的限制，离子结合则要满足正、负离子间电荷平衡的要求，它们的相邻原子数都不如金属多。聚合物密度最低：次价键结合，分子链堆垛不紧密，并且组成原子（C、H、O等）质量较小

③材料的导电性和导热性与结合键类型有关：金属键使金属材料具有良好的导电性和导热性，而由非金属键结合的陶瓷物或聚合物则在固态下不导电，它们可以作为绝缘体或绝热体在工程上应用。

2.力学性能：

①结合键能与弹性模量E：弹性模量意义：即E相当于发生单位弹性变形所需的应力。结合键能与弹性模量两者间有很好的对应关系。金刚石具有最高的弹性模量值，E＝1000GPa。其他一些工程陶瓷如碳化物、氧化物、氯化物等结合键能也较高，弹性模量为250一600GPa。常用金属材料的弹性模量约为70一350GPa。聚合物由于二次键的作用，弹性模量仅为0.7—3.5GPa

②结合键能与强度：一般来说，结合键能高的，强度也高一些。然而强度在很大程度上还取决于材料的其他结构因素，如材料的组织，因此强度与键能之间的对应关系不如弹性模量明显。

③结合键能与塑性：金属键赋予材料良好的塑性，而离子键、共价键结合，使塑性变形困难，所以陶瓷材料的塑性很差。但是高分子材料由于次价键结合，表现良好的塑性。

我们在研究影响材料性能的各种因素时，不能忽视的是：尽管一种材料的基本性质取决于它的原子或分子结构，但其本体性质则是由原子或分子的排列状态所控制的。如果把物质的成分看作是砖的话，那么决定一座房子的最终性能和特征的是用怎样的方式把砖垒起来。所以，研究聚集态结构特征、形成条件及其对制品性能的影响是控制产品质量和设计材料的重要基础。

高分子材料中不同范德华力的作用：

范德华键包括：静电力、诱导力和色散力，属于物理键，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质。

静电力发生在具有永久偶极的分子之间，键合强度大约是共价键的1/50到1/200。永久偶极是由于共价键所结合的原子具有不同的电负性引起的，电负性表示的是原子核吸引价电子的强度大小。原子核的质子数目越多，被填充的电子壳层离核越近，原子核的电负性就越大。随着温度的升高，大分子的热运动增加会使偶极作用降低。在偶极矩相等且偶极对称排列的情况下其偶极可相互抵消，如聚四氟乙烯。具有偶极-偶极结合力的聚合物可以溶解在许多极性液体中。

诱导力是极性分子的永久偶极与它在其他分子上引起的诱导偶极之间的相互作用力，例如带负电荷的永久偶极排斥另一个分子中呈电中性原子的电子，因此在另一个分子上诱导产生一个偶极，这个诱导偶极又导致一个偶极－偶极键的强度增加。诱导力强度是永久偶极强度的1/10,但与温度无关。

色散力是电子运动引起电子云变形而产生瞬时偶极之间的相互作用力，占所有分子间作用力

的８０％-９０％．由色散力产生的强度是主价键或共价键的1/500到1/1000，与温度有关。非极性高聚物中的分子间作用力主要是色散力。

第3章高分子材料简介

温度/时间依赖性：

①所谓粘弹性，是指具有类似于粘性液体和纯弹性固体两者的性质，粘性液体具有作用力与变形速率成比例的性质，纯弹性固体具有作用力和变形成比例的性质。对粘性系统所作的功是完全转化成热能而消耗掉的；与之相反，对弹性系统作功，所有的功以势能形式贮存起来。高分子材料具有这样的两重性，以致它的力学性能是非常复杂而又有趣的。高分子材料对温度和时间强烈的依赖关系是由于高分子具有粘弹性的结果。粘弹性是与“时间”相关的概念！

②实际上，多数物质对外力作用的响应表现为弹性和粘性双重特性。对于高分子材料，这种粘弹特性特别突出。时间也能改变塑料和橡胶。同在室温下，处于玻璃态的塑料若在几百年的时间尺度上可以看成象橡胶一般易于变形。虽然塑料的历史还没这么久，我们无法用实验证明这一点，但欧洲有几百年历史的教堂上的窗玻璃能观察到上薄下厚的变化。另一方面橡胶在极短时间内观察则成为塑料，例如飞机上的橡胶轮胎在高速下遇到外来物体的撞击会像玻璃一样碎掉，原因就是如此。

密度和支链化程的区别：

对同一种高分子材料，密度大小表示支化的程度，支链化程度越小，密度越大，材料硬度强度越好，而韧性降低。对于高分子材料来说，密度大小表示高分子链之间接近的程度，或者说密堆的程度。

第4章静载载荷作用下的力学性能

应变(strain)：当材料受到外力作用而又不产生惯性移动时，其几何形状和尺寸会发生变化，这种变化称为应变或形变。

应力( stress)：材料发生宏观变形时，其内部分子及原子间发生相对位移，产生分子及原子间对抗外力的附加内力，达到平衡时，附加内力与外力大小相等，定义单位面积上的附加内力为应力。平衡时，其值与单位面积上所受的外力相等。

模量（modulus）：对于理想的弹性固体，应力与应变的关系服从虎克定律，即应力与应变成正比，比例常数称为弹性模量，简称模量。弹性模量的单位与应力的单位相同。

拉伸应变：材料在拉伸作用下产生的形变称为拉伸应变，也称相对伸长率。

拉伸应力：

这种拉伸应变和拉伸应力的定义在工程上被广泛运用，称为工程应变和工程应力或习用应变和习用应力。

真应力：用真实的瞬时截面积A代替A0除其相应的拉伸力Ｆ得到的应力。

真应变：因试样长度在不断变化，某一瞬时拉伸试样的长为l ，载荷增量dF ，伸长d l ，则该瞬时应变率为d l / l ，则试样自l 0伸长至l 后，总应变率为真应变，记为εt 真应变与工程应变之间的关系（若假设拉伸过程中体积不变）：

若拉伸变形是等体积变化，则真应力总是大于工程应力，真应变总是小于工程应变。 弹性：是指材料在外力作用下保持和恢复固有形状和尺寸的能力。

拉伸强度 Tensile strength ：在规定的实验温度、湿度和实验速度下，在标准试样上沿轴向施加拉伸载荷直至断裂前试样承受的最大载荷P 与试样横截面的比值。

屈服强度（yield strength ）：又称为屈服极限 ，是材料屈服的临界应力值，定义为材料开始产生宏观塑性变形时的应力。对于屈服现象明显的材料，屈服强度就是屈服点的应力（屈服值）； 如果材料的应力－应变曲线不能明确表示屈服应力而且试样在较高的应变值发生断裂时，x%补偿屈服应力可作为材料的一个特征值来使用。

x%补偿屈服应力σx%：应力－应变曲线偏离线性响应至应变的x%时的应力，即从应变轴x %处作斜率为E 的直线。或者说是与应力-应变的直线关系的极限偏差达到规定值时的应力， 通常为0.2%的永久形变.

有些钢材(如高碳钢)无明显的屈服现象，通常以发生微量的塑性变形(0.2％)时的应力作为该钢材的屈服强度，称为条件屈服强度。

应变硬化： 继续拉伸时，由于分子链取向排列，使硬度提高，从而需要更大的力才能形变。 比弹性模量E/ρ：材料的弹性模量与其单位体积质量(密度)的比值，也称为比模量或比刚度，单位为m 或cm 。

强迫高弹形变：玻璃态聚合物本来被冻结的链段开始运动，高分子链的伸展提供了材料大的形变。这种运动本质上与橡胶的高弹形变一样，只不过是在外力作用下发生的，是链段的运动。为了与普通的高弹形变相区别，通常称为强迫高弹形变。

压缩模量：物体在受单向或单轴压缩时应力与应变的比值。实验上可由应力-应变曲线起始段的斜率确定。径向同性材料的压缩模量值常与其杨氏模量值近似相等。

压缩强度：在压缩试验中，试样直至破裂(脆性材料)或产生屈服(非脆性材料)时所承受的最大压缩应力。压缩强度以试验过程中最大破坏力除以受压面积表示（在温度和其它条件不变时）。计算时采用的面积是试样的原始横截面积。

弯曲强度：弯曲强度是在规定实验条件下对标准试样施加静弯曲力矩，直到试样断裂为止。 剪切强度:是指材料在断裂前能够承受的最大剪应力。τ f =0.5 t

高分子材料的强度可以按以下顺序排列：剪切强度<拉伸强度<压缩强度 <弯曲强度

硬度值的含义：

硬度值的物理意义随试验方法的不同，其含义不同。一般可以认为，硬度是指材料表面上不大的体积内抵抗变形或破裂的能力。从这个意义来讲，硬度的大小与材料的拉伸强度和弹性模量有关，而硬度实验又不破坏材料且方法简单。

HB 代表的是布氏硬度值，HV 表示维氏硬度，HK 表示努氏硬度，KS 表示肖氏硬度

弹性模量和弹性的区别：

弹性模量表征材料抵抗变形能力，模量越大，愈不容易变形，表示材料刚度越大。 三大高)1ln(ln 0εε+==l l t )1(000εσσσ+====L L A A A F A F t

分子材料在模量上有很大区别，橡胶的模量较低，纤维的模量较高，塑料居中。 弹性是指材料在外力作用下保持和恢复固有形状和尺寸的能力。

拉伸曲线每个阶段的含义：

（1）OA 段，应力－应变呈直线关系变化，为符合虎克定律的弹性形变区，直线斜率相当于材料弹性模量。

（2）屈服应力：越过A 点，应力－应变曲线偏离直线，说明材料开始发生塑性形变，极大值Y 点称材料的屈服点，其对应的应力、应变分别称屈服应力（或屈服强度） 和屈服应变 。发生屈服时，试样上某一局部会出现“细颈”现象，材料应力略有下降，发生“应力软化”。

（3）大形变区（又称强迫高弹形变）：随着应变增加，在很长一个范围内曲线基本平坦，“细颈”区越来越大。拉伸时细颈不会变细拉断，而是向两端扩展，直至整个试样完全变细为止，外力几乎不增加，应变却大幅度增加，可达百分之几百。这一阶段加热可以恢复。

（4）应变硬化： 继续拉伸时，由于分子链取向排列，使硬度提高，从而需要更大的力才能形变。

（5）断裂：达到B 点时材料断裂，与B 点对应的应力、应变分别称材料的拉伸强度（或断裂强度）σb 和断裂伸长率 εb ，它们是材料发生破坏的极限强度和极限伸长率。

（6）曲线下的面积等于

相当于拉伸试样直至断裂所消耗的能量，单位为J ?m-3，称断裂能或断裂功，反映材料的拉伸断裂韧性大小的物理量。

应力应变曲线（宏观力学性能与微观结构关系）：（待定）

（1）硬而脆型 此类材料弹性模量高（OA 段斜率大）而断裂

伸长率很小（<2%）,没有屈服点。在很小应变下，材料尚未出现屈服已经断裂，断裂强度较高。在室温或室温之下，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、酚醛树脂等表现出硬而脆的拉伸行为。

（2）硬而强型 此类材料弹性模量高，断裂强度高，断裂伸长率小（一般为5％），出现屈服点，具有某些轻金属的特征，称为半脆性破坏。通常材料拉伸到屈服点附近就发生破坏（大约为5%）。硬质聚氯乙烯制品属于这种类型。

（3）硬而韧型 此类材料弹性模量、屈服应力及断裂强度都很高，断裂伸长率也很大，应力－应变曲线下的面积很大，说明材料韧性好，是优良的工程材料。

（4）软而韧型 此类材料弹性模量和屈服应力较低，断裂伸长率大（20%～1000%），断裂强度可能较高，应力－应变曲线下的面积大。各种橡胶制品和增塑聚氯乙烯具有这种应力－应变特征。

（5）软而弱型 此类材料弹性模量低，断裂强度低，断裂伸长率也不大。一些聚合物软凝胶和干酪状材料具有这种特性。

Considere 作图法：

真应力：

在工程应力－应变曲线中，如果在弹性极限后出现峰值（极大值），便将该峰值定义为屈服点。

?

=B d W εεσ0)1(εσσ+=t

即：在工程应力是极大的那点，真应力与工程应变具有如下的关系：

上式在真应力-应变曲线上标示的是一条从应变轴上-1处向曲线作的切线。这样，工程应力的极大值就和真应力-应变曲线上这条切线的切点具有相同的应变。过了这点，形变的任何增加都会引起工程应力的下降。这通常被称作Consid ère 作图。

银纹的微观结构：

定义：银纹现象为聚合物所特有，材料的某些薄弱部分出现应力集中而产生局部的塑性形变的取向，以至在材料表面或内部垂直于应力方向上出现长度为100μm ，宽度为10μm 左右，厚度为1μm 的微细凹槽（微裂纹）现象，这些微裂纹所处的材料表面呈银白色闪光，故这种微裂纹称为银纹。

特征：应力发白现象，密度为本体的50％，高度取向的高分子微纤。银纹进一步发展→裂缝→脆性断裂。

银纹实质上是由空穴和高度取向的高聚物纤维相互贯穿构成的。空穴在整个银纹中占40-65％，所以银纹的密度比材料本体的密度低，其平均密度为本体的40-60％。银纹的产生与受载方式有关。只有在拉伸应力作用下，形成空穴，使体积有较大的局部增大，才能产生银纹，且各个银纹平面都与拉伸应力方向垂直。纯压缩应力不产生银纹。

微纤方向与外力平行，银纹长度方向与外力垂直。

第5章 材料的冲击韧性

冲击强度：冲击强度是量度材料在高速冲击下的韧性大小和抗断裂能力的参数，是标准试样在冲击断裂时单位面积上所消耗的能量。

冲击强度与韧性的关系：

韧性是指材料在破坏前吸收外加能量的能力。

冲击强度是量度材料在高速冲击下的韧性大小和抗断裂能力的参数，是标准试样在冲击断裂时单位面积上所消耗的能量，是一种广义的能量力，不是通常的断裂应力。材料抗冲击性能与其冲击过程所消耗的能量有关，所消耗的能量越大，韧性越好。

高分子材料抗冲击强度是指标准试样受高速冲击作用断裂时，单位断面面积（或单位缺口长度）所消耗的能量。它描述了高分子材料在高速冲击作用下抵抗冲击破坏的能力和材料的抗冲击韧性，有重要工艺意义。但它不是材料基本常数，其量值与实验方法和实验条件有关。 冲击强度的单位：J/m2

第6章 疲劳和摩擦磨损

疲劳和摩擦磨损是在动态使用过程中材料出现的两种破坏行为，直接关系到塑料和橡胶制品的耐久性和安全性。

疲劳破坏是指材料在低于其破坏强度的条件下，在承受周期性应力（或应变）过程中，材料表面或内部产生微（细）观损伤，并逐步发展为宏观裂纹直至断裂的现象。

摩擦磨损是相互接触的物体在相对运动中，表层材料不断损伤的过程，是由摩擦而产生的必然结果。

高分子材料的疲劳和摩擦磨损过程是粘弹性非平衡过程，具有不同的热效应。在力场作用下，材料内部和表面将产生力化学反应，如链断裂、老化反应以及与环境介质的反应等。

ε

σεσ+=1true true d d

交变应力：像这样随时间而循环变化的应力称为交变应力。交变应力随时间变化的历程称为应力谱（应力－时间曲线）。

若应力变化幅度为常值，称为等幅交变应力。若应力变化幅度也是周期性变化的，或应力变化幅度具有偶然性，称为变幅交变应力，也称随机交变应力。

交变应力的描述：

应力循环——应力值每重复变化一次成为一个循环。

循环次数——应力重复变化的次数，用N表示。

最大应力——应力循环中的最大值，用σmax表示。

最小应力——应力循环中的最大值，用σmin表示。

循环特征——最小应力与最大应力的比值，用r 表示

平均应力——最大应力与最小值的平均值，用σm表示。

应力幅值——应力变化幅度的均值，用σa表示

疲劳：工程构件在服役过程中，由于承受变动载荷或反复承受应力和应变，即使所受的应力低于断裂强度或屈服强度，也会导致裂纹萌生和扩展，以至构件材料断裂而失效，或使其力学性质变坏，这一过程，或这一现象称为疲劳。

疲劳寿命:试样在交变循环应力或应变作用下直至发生破坏前所经受应力或应变的循环次数，用N表示。

疲劳极限：在疲劳试验中，应力交变循环大至无限次而试样仍不破损时的最大应力叫疲劳极限。(一个应力值，当应力等于或低于这个值时，材料可承受的周期数为无限大)。许多塑料事实上并不存在疲劳极限，为此，特用循环次数达到107至108次而试样尚有50%不破坏情况下的应力表示疲劳极限。一般热塑性聚合物的疲劳极限约为静态极限强度的1/5。

疲劳强度的含义：材料的疲劳强度通常用疲劳极限表示，因此在某种程度上疲劳极限即疲劳强度。

疲劳极限定义为：在指定的疲劳寿命下，试件所能承受的上限应力幅值。

摩擦：两个相互接触的物体或物体与介质之间在外力作用下，发生相对运动或者有相对运动的趋势时，在接触表面上所产生的阻碍作用称为摩擦。阻碍相对运动的力即为摩擦力，表征摩擦的参数是摩擦系数。

摩擦副：是指摩擦材料与其对偶组成的整体,例如制动盘和刹车块就是典型的摩擦副

磨损：是在摩擦作用下物体相对运动时，表面逐渐分离出磨屑从而不断损伤的现象。橡胶工业中的磨损称为磨耗。

摩擦与磨损是一个过程的两个方面：有摩擦必然导致磨损；产生了磨损，根源在于摩擦

摩擦系数（friction factor）是指两表面间的摩擦力和作用在其接触面上给予的正压力之比值。疲劳磨损：在周期性交变载荷的作用下，由于聚合物与对偶材料表面部分微凸体的相互作用，使界面接触点(区域)发生局部变形和应力集中，从而聚合物的表层和亚表层形成裂纹而导致聚合物损失或破坏的现象称为聚合物的疲劳磨损。

疲劳寿命曲线是如何得到的？有什么信息？3个区域？

如何得到：对试样施加一个规定的交变载荷(σ)，并且记录下产生破坏所需的循环次数（疲劳寿命，N）；对同样尺寸的一组试样施加不同交变载荷进行试验，得到一组点（每个σ值对应一个N值），可绘制出σ-N曲线。

可以施加轴向载荷，扭转载荷或者弯曲载荷。根据平均载荷和循环载荷的不同幅度，试样中的合成应力可能在整个载荷循环过程中在同一个方向，或者也可能在相反方向。可得到拉压拉疲劳曲线，脉动疲劳曲线，扭转疲劳曲线等，这些曲线统称为σ-N曲线。

通常，试验在给定应力比r或平均应力σm的前提下进行,根据不同应力水平的试验结果,以最大应力σ或应力幅σa为纵坐标,疲劳寿命N为横坐标绘制σ-N曲线，表示寿命的横坐标采用对数标尺，表示应力的纵坐标采用算术标尺或对数标尺。

σ-N曲线也称为疲劳寿命曲线，是研究材料的疲劳过程和预测疲劳寿命的重要手段。

信息：低循环疲劳区，在很高的应力下和很小的循环次数后，试件即发生断裂。一般认为低循环疲劳发生在循环应力超出弹性极限，疲劳寿命N=1/4~104或105之间，因此低循环疲劳又称为短寿命疲劳。

高循环疲劳区，在高循环疲劳区，循环应力低于弹性极限，疲劳寿命长，N> 105次循环，且随循环应力降低而大大延长。在此区内，试件的疲劳寿命长，故可将高循环疲劳称为长寿命疲劳。试件在最终断裂前，整体上无可测的塑性变形，因而在宏观上表现为脆性断裂。不论在低循环疲劳区或高循环疲劳区，试件的疲劳寿命总是有限的，故可将上述两个合称为有限寿命区。

无限寿命区或安全区，试件在低于某一临界值幅σac下，可以经受无数次应力循环而不发生断裂，疲劳寿命趋于无限：即σa≦σac，N=∞。故可将σac称为材料的理论疲劳极限或耐久限。若σ-N曲线存在一条水平渐进线，其高度即为σac，又称为疲劳极限。

磨损过程大致可分为以下三个阶段：

A. 跑合(磨合)阶段：由于机械加工的表面具有一定的不平度存在；运转初期，摩擦副的实际接触面积较小，单位面积上的实际载荷较大，因此，磨损速度较快。经跑合后尖峰高度降低，峰顶半径增大，实际接触面积增加，磨损速度降低。

B.稳定磨损阶段：机件以平稳缓慢的速度磨损，这个阶段的长短就代表机件使用寿命的长短。该段的斜率就是磨损速率。实验室的磨损试验就是根据该段经历的时间、磨损速率或磨损量来评定材料耐磨性能的。多数工件均在此阶段服役，磨合的越好，该阶段磨损速率就越低。

C.剧烈磨损阶段：经过长时间的稳定磨损后，由于摩擦副对偶表面间的间隙和表面形貌的改变以及表层的疲劳，其磨损率急剧增大，使机械效率下降、精度丧失、产生异常振动和噪声、摩擦副温度迅速升高，最终导致摩擦副完全失效。

摩擦的转移方向：

聚合物自身的剪切强度(内聚能)决定了材料的转移特性与其粘着磨损特性。材料转移也是按从内聚能较小的一方向内聚能大的一方转移这个顺序。

降低磨粒磨损的方法：

若是低应力磨粒磨损，则应设法提高表面硬度。

若遇重载荷，甚至大冲击载荷下磨损，则基体材料组织最好是高硬度、良好韧性的塑料

为减轻磨粒磨损，除注重满足润滑条件外，还应合理地选择摩擦副的材料，降低表面粗糙度值以及加装防护密封装置等。

高分子材料的耐磨性及其表征方法：

材料抵抗磨损的性能。常用磨损量或磨损系数表征。

第7章聚合物的热性能和燃烧性质

线性热膨胀系数α:

ε= ?l/l0 = α?T

线性热膨胀系数的定义为每度温度升高产生的应变。材料的热膨胀系数一般为数十到数百10-6 K-1。聚合物大分子之间主要是范德华力，所以热膨胀系数最高。键能越强，热膨胀系数越小。

体积热膨胀系数:α=ΔV/(V·ΔT) 式中ΔV为所给温度变化ΔT下物体体积的改变，V为物体体积。

强度：材料在经受外力或其他作用时抵抗破坏的能力。单位：

模量：材料在受力状态下应力与应变之比。单位：Pa。

聚合物热膨胀系数大，常导致成型加工尺寸稳定性差。减少聚合物热膨胀系数是提高其耐热性能的一个重要方面。

热塑性塑料的线膨胀系数比热固性塑料大，这是因为交联网络聚合物为三维共价键结合，所以膨胀系数低。

对线性长链聚合物，由于其分子间弱的范氏力结合，膨胀系数较高；但它的聚集状态以及其晶态结构与玻璃态结构的相对数量，都对热膨胀特征有影响。由于线性长链聚合物的聚集状态取决于加工历史以及熔体的冷去速度等，其膨胀系数具有较大幅度的可变性。

另外，对聚合物而言,长链分子中的原子沿链方向是共价键相连的,而在垂直于链的方向上,邻近分子间的相互作用是弱的范德华力,因此结晶聚合物和取向聚合物的热膨胀有很大的各向异性。

在各向同性聚合物中,分子链是杂乱取向的,其热膨胀在很大程度上取决于微弱的链间相互作用。

热变形温度（Heat deflection temperature，HDT）：对非结晶塑料，HDT比Tg小10~20℃；对结晶塑料，HDT则接近于Tm。

聚合物长期耐热性的表征：用温度-时间极限（热寿命）表征聚合物长期耐热性。定义：聚合物材料某种性能在给定的贮存时间（老化到一定程度时的）内保持某一极限值的最高温度。热老化实验涉及三个参数：性能，时间，温度。固定性能（失效标准），考察温度和时间的关系，即热寿命曲线。

聚合物老化是指在时间进程中聚合物材料所经受的不可逆化学过程和物理过程的总和。表现在其物理性能或特殊功能上的相应变坏，如发硬、发粘、脆化、变色、强度降低或丧失，以及功能高分子的原有功能衰减、丧失等等。老化的主要化学反应是降解，有时也可能伴有交联。

老化可分为：内老化（internal aging）:由聚合物材料自身热力学不稳定状态引起的老化，如内应力松弛、后结晶、多相材料的相分离、增塑剂的迁移等。外老化（external aging）：由聚合物材料所处外界环境的物理或化学相互作用引起的，比如材料的应力开裂、疲劳开裂、热氧化降解、辐射降解、膨胀等。物理老化：非化学结构的改变，聚合物材料形态结构的变化以及挥发性组分的迁移、小分子的吸收等，如后结晶、解取向、增塑剂表面迁移、吸水等。化学老化：聚合物化学结构的改变，如分子链断裂、交联等，常见的有热老化、热氧老化、射线老化等。

热稳定性：是指材料化学结合开始变化的温度。通常用聚合物在惰性气体（或空气）中开始分解的温度（Td）表征热稳定性（或热氧稳定性），或用热失重（TG）来表示。

半分解温度：聚合物在真空中加热30min后质量损失一半所需要的温度

影响高分子材料老化的因素：

1）材料自身因素，主要包括高分子一二三级结构的特征、分子极性、缺陷（微裂纹，气孔

等以及配方等。

2）环境因素，主要包括：化学介质（如物理状态（气体、液体）、化学性质、分子体积和形状、分子极性、流动状态等）

3）使用条件（如光、高能辐射、热以及作用力等）。

燃烧的基本概念：

有限氧指数(limiting oxygen index,LOI)：在规定条件下，试样在氧、氮混合气流中维持平稳燃烧所需的最低氧浓度，通常以氧在混合气体中所占的体积分数来表示。如果材料的LOI 超过21％，说明该材料具有阻燃性能。其LOI 越高，其阻燃性越好。

聚合物的燃烧是一个极其复杂的热氧化过程，导致燃烧过程进行的基本要素是:热、氧和可燃物质。

使材料着火的最低温度称为燃点或着火点。材料着火后，其产生的热量有可能使其周围的可燃物质或自身未燃部分受热而燃烧，这种燃烧的传播和扩散现象称为火焰的传播或延燃。 若材料着火后其滋生的燃烧热不足以使未燃部分继续燃烧则称为阻燃、自熄或不延燃。 聚合物的燃烧过程包括加热、热解、氧化和着火等步骤。

燃烧速度：一般是指在外部辐射热源存在下水平方向火焰的传播速度。

发热值：材料在燃烧时发出的热。

聚合物成为热绝缘体的原因：

在分子固体中，依靠次价力分子结合在一起，因此分子之间相互作用弱，导热性差。

高分子材料呈远程无序结构，热量的传递主要是由热能激发的分子产生的振动波激励邻近分子的形式传递的。这种由分子向分子转移热量的方式，传递速率很慢，所以高分子材料的热传导率很低，一般约为金属的1/100~1/150。这一特征使聚合物成为热绝缘体。

第8章高分子的电性能

材料导电性通常用电阻率ρ（resistivity ）或电导率σ(Conductivity)表示，两者互为倒数关系。按定义有：某种材料制成的长1米、横截面积是1平方毫米的导线的电阻，叫做这种材料的电阻率。

式中R 为试样的电阻，S 为试样截面积，d 为试样长度（或厚度，为电流流动方向的长度）, 电阻率ρ的单位为欧姆·米（ Ω · m ）；电阻率越大，导电能力越弱。

绝缘：通常指阻滞热、电或声通过的材料。用于绝缘的不传导材料，当电导率小于10-8 S/m 时被称为绝缘体。高分子材料的绝缘性能常用绝缘电阻表示。

在聚合物电性能的表征中，常用表面电阻率和体积电阻率分别表示聚合物表面和体内的不同导电性。

体积电阻：在试样的相对两表面上放置的两电极间所加直流电压与流过两个电极之间的稳态电流之商；该电流不包括沿材料表面的电流。在两电极间可能形成的极化忽略不计。

表面电阻：在试样的某一表面上两电极间所加电压与经过一定时间后流过两电极间的电流之商；该电流主要为流过试样表层的电流，也包括一部分流过试样体积的电流成分。在两电极间可能形成的极化忽略不计。

电击穿：当电压升至某临界值时，聚合物内部突然形成了局部电导，丧失绝缘性能，这种现σρ/1=?=d S R

象称电击穿。击穿时材料化学结构遭到破坏，通常是焦化、烧毁。

介电性能：指物质在电场作用下发生极化，由于电荷重新排布所表现出来的性质。

电介质：指在电场作用下，能建立极化的一切物质，主要以电场感应而不是以电子或离子传导的方式来传递电的作用和影响的媒质。

极化：就是介质内质点（原子、分子、离子）正负电荷重心分离，从而转变成偶极子的现象。物质的极化特征总是和极化电场的频率相联系的。极化率可表征材料的极化能力，只与材料的性质有关。

极化率：单位电场强度下，质点偶极矩的大小称为质点的极化率α

E

=μα

式中：Eloc 为作用在微观质点上的局部电场，（即原子、离子、分子上的有效内电场）；其单位：法拉·米2，即F ·m2。 F=C/V (电容单位)

感应极化(又称诱导极化或变形极化):非极性分子本身无偶极矩，在外电场作用下，原子内部价电子云相对于原子核发生位移，使正负电荷中心分离，分子带上偶极矩；或者在外电场作用下，电负性不同的原子之间发生相对位移，使分子带上偶极矩，这种极化称感应极化，又称诱导极化或变形极化。

介电性:由于聚合物分子在电场作用下发生极化而因此贮存和损耗电能的性质称介电性，通常用介电系数和介电损耗表示。

介电系数ε:已知真空平板电容器的电容 与施加在电容器上的直流电压V 及极板上产生的电荷.

介电系数:含有电介质的电容器的电容与相应真空电容器的电容之比称为该电介质的介电系数ε，即

电容器极板间充满电介质时，电容增大的倍数介电系数反映了电介质储存电荷和电能的能力.从上式可以看出，介电系数越大，极板上产生的感应电荷Q ˊ和储存的电能越多。

介电损耗：电介质在交变电场中极化时，会因极化方向的变化而损耗部分能量和发热，称介电损耗。

产生的原因:电导损耗（是指电介质所含的微量导电载流子在电场作用下流动时，因克服电阻所消耗的电能）和极化损耗（这是由于分子偶极子的取向极化造成的）。对非极性聚合物而言，电导损耗可能是主要的。对极性聚合物的介电损耗而言，其主要部分为极化损耗。

导电高分子中高分子基料的作用是将导电颗粒牢固地粘结在一起，使导电高分子具有稳定的导电性，同时它还赋于材料加工性。导电填料在复合型导电高分子中起提供载流子的作用。

压电性：某些物质在压力作用下发生极化而在两端表面间 出现电位差的性质。

压电效应：某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为压电效应。

当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为“正压电效0

0/1/Q Q C C '+==εV

Q C /00=

应”或“顺压电效应”。（ 换 能 ）

反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”或“电致伸缩效应”。

热电性：某些材料由于自身温度变化引起其极化状态的改变，从而导致在材料表面的电荷会发生变化，最终变为材料两端电压发生改变，称之为正热电效应；反之，材料在受到电压作用时（表面电荷增加），材料温度会发生变化，称之为逆热电效应。由于热电性质是由于材料的极化状态随着温度的变化而变化，极化强度的改变使束缚电荷失去平衡，多余的电荷会被释放出来，因此也称为热释电效应。

铁电性：是指材料在不加外电场时就具有自发极化现象，其自发极化的方向能够被外加电场反转或重新定向。铁电材料的这种特性被称为“铁电现象”或“铁电效应”。

驻极体：在无外加电场条件下，也能够长期储存空间电荷或极化电荷，具有宏观电矩的电介质材料。

热极化法主要用于制备极化型高分子驻极体：极化过程中，高分子材料的温度升到玻璃化温度以上，熔点以下，使内部分子具有自由旋转能力，然后施加电场使材料中的偶极子发生取向极化，沿电场方向有序排列而产生宏观电矩；在电场保持的同时，降低材料温度至玻璃化温度以下。因此，对不同的被极化材料需要采用的极化温度不同。

第9章 高分子材料的光学性能

折射率定义为：光在真空和材料中的速度之比。折射率随频率的减小(或波长的增加)而减小。 双折射：当一束光通过一个介质时，分为振动方向相互垂直、传播速度不等的两个波，它们分别构成两条折射光线的现象。 双折射是非均质晶体的特性，这类晶体的所有光学性能都和双折射有关。 色散：光在介质中传播速度或折射率随入射光的波长而改变的性质，称为色散。

透光率的定义为：透过材料的光通量（T2）占入射到材料表面上光通量（T1）的百分率，即：Tt ＝（T2 / T1）×100% 透光率是表征树脂透明程度的一个重要性能指标，一种树脂的透光率越高，其透光性就越好。

设光的总能量流w 为：W = W ′+ W ″ （W ， W ′，W ″分别为单位时间通过位面积的入射光、反射

光和折射光的能量流。）

则反射系数（反射率）m = W ′/ W 或 m = 被反射的光强度 / 入射光强度

当角度很小时，即垂直入射时:

m )1n 1n (W W 22121=+-='

在垂直入射的情况下，光在界面上的反射的多少取决于两种介质的相对折射率n21。

雾度的定义为：材料的散射光通量与透过材料光通量的百分数。可以说雾度是用来衡量一种材料光散射程度的指标。 ⊥

-=?n n n //