材料科学与工程

非静态与半晶态的思维导图，满满干货

非晶态与半晶态材料

• 前言
  • 非晶态
    • 定义：原子在空间的排列无周期性和平移对称性，短程有序而长程无序的固体
    • 微观特征：长程无序、无平移对称性、短程有序
    • 力学状态：玻璃态、高弹态、粘流态
  • 非晶态材料特征
    • 只有玻璃转化温度，无熔点
    • 没有规则的多面体几何外形
    • 物理性质各向同性
    • 均匀性来自原子无序分布的统计性规律，无晶界
• 玻璃转变温度Tg
  • Tg是玻璃态物质在玻璃态和高弹态之间相互转化的温度，是区分玻璃和橡胶的临界温度
  • Tg分析
    • 在Tg以上，弹性模量减小几个数量级，分子可以在重复单元内运动，非晶材料对所加应力的响应与时间相关
    • 在Tg~Tm的无定形材料本质上是过冷液体，呈现粘性行为，分子有运动能力
    • 在Tg以下的非晶材料对所加应力的响应与时间无关
• 粘性变形
  • 粘度
    • 物理意义：材料承受切向变形时所作的功的量度
    • 对温度依从关系：粘性流动是热激活过程
    • 非晶：在Tg温度以上呈粘性变形 半晶态：在晶态区域呈弹性变形，在非晶态区域呈粘性变形即具有粘弹性
• 非晶和半晶态聚合物的结构和性质
  • 聚合物：是由许多单个的高分子链聚集而成（包括：链结构和聚集态结构）
  • 聚合物的分类
    • • 一般分类
        • 乙烯基相关聚合物
        • 橡胶
        • 聚酯
        • 聚酰胺
        • 其他聚合物
    • 分子键合类型分类
      • 热塑性聚合物：分子链间有二次键
      • 热固性聚合物：在主链上一次键
  • 摩尔质量
    • 聚合度n：M=n✖m
    • 数均摩尔质量：
    • 重均摩尔质量：
    • 聚合物分散度：
  • 聚合物的构象及构型
    • 构象：指有一定构造的分子通过单键旋转而形成的 各原子或原子团在空间的排布
      • 由于单键旋转连接，在碳上的原子或原子团在空间 的排布位置发生变化所形成的构象互为构象异构体
    • 构型：指通过化学键固定的原子，在分子中的空间位置排列情况
      • 全同立构：所有侧基在分子一侧
      • 间同立构：侧基在分子两侧交替出现
      • 无规立构：侧基在分子两侧随机出现
    • 同分异构体
      • 构造异构体：同样单元体由不同键接顺序方式生成的高分子
      • 立体同分异构体：具有相同原子序列，但原子空间排列不同的高分子
    • 分子二级结构
      • 高分子的大小
      • 高分子链的结构
    • 高分子柔顺性：高分子链能够通过内旋转作用改变其构象的性能
    • 分子结构对柔顺性影响
      • 主链结构
      • 侧基
      • 分子链的规整性
      • 外界因素
        • 温度
        • 外力
      • 氢键
      • 链的长短
  • 聚合物的晶态
    • 根据结晶条件不同可分为：单晶、球晶、伸直链晶片、纤维状晶片、串晶
  • 聚合物的晶态结构模型
    • 缨状胶束模型：晶区与非晶区同时存在，晶区规整，非晶区无规则
    • 折叠链模型：以折叠形式堆砌，晶区与非晶区同时存在
  • 半晶态聚合物：由球晶组成，聚合物链垂直于球晶直径且无规折叠
  • 决定结晶度因素
    • 侧基的尺寸
    • 链分支的程度
    • 立构规整度
    • 重复单元的复杂性
    • 平行链段之间二次键合程度
  • 结构与Tg关系
    • 大的重复单元，庞大的侧基，健的分支和极性侧基会抑制分子移动，所以会提高玻璃转变温度
• 玻璃的结构与性能
  • 玻璃的构成
    • 玻璃形成体
    • 中间体
    • 改性剂
  • 离子玻璃
    • 氧化物玻璃形成的扎卡赖亚森规则（5条）
    • 网络修饰物
    • Pyrex玻璃
  • 共价玻璃
    • 有机玻璃
    • 无定形半导体
  • 金属玻璃
    • 金属玻璃制备原理
      • 制备非晶合金的途径
      • 实现快冷条件
    • 金属玻璃的制备方法
      • 气相沉积法
      • 模冷法
      • 雾化法
      • 表面熔化急冷技术
• 橡胶和弹性体的结构与性质
  • 热固性弹性体
    • 对热塑性聚合物进行一定程度的交联可得到弹性体，弹性性能取决于交联程度
    • 计算交联后增加的质量
  • 热塑性弹性体
    • 热塑性聚合物具有可以反复熔化和固化的性质，不可交联
  • 橡胶中的晶化
  • 弹性模量与温度的依赖关系
    • 弹性模量从玻璃特征值降低到橡胶特征值的温度范围是玻璃转变温度
    • 温度大于Tg时，弹性模量平台随着结晶或者交联密度的增加而升高
  • 橡胶的弹性
    • 橡胶变形机制
      • 链的伸展
      • 卷曲分子链的打开
    • 弹性体高构象熵导致的反常热效应：温度升高时体积收缩