化學與新材料

化學與新材料李侃社趙世永西安科技大學化學化工學院1/15/20231主要內(nèi)容1.化學與材料科學技術(shù)2.金屬材料3.無機非金屬材料4.有機高分子材料5.復合材料6.納米材料與納米科技1/15/20232

現(xiàn)代高科技(modernhigh-tech)

信息、材料、能源、生物技術(shù)：

—社會文明支柱，科技創(chuàng)新的重要標志

材料—人類社會發(fā)展的里程碑！

新材料—現(xiàn)代科學技術(shù)和社會發(fā)展的基礎(chǔ)和支柱！

化學—材料科學技術(shù)的理論基礎(chǔ).1/15/202331.材料科學與工程

(materialsscienceandengineering)研究材料的合成與制備、組成與結(jié)構(gòu)、性能及使用效能各組元本身及四者之間的相互依賴關(guān)系的規(guī)律—材料科學.研究如何利用這些規(guī)律性的研究成果以新的或更有效的方式開發(fā)并生產(chǎn)出材料,提高材料的使用效能,以滿足社會的需要,設(shè)汁與制造材料制備與表征所需的儀器、設(shè)備—材料工程科學與工程彼此密切結(jié)合,構(gòu)成個學科整體.1/15/20234性能(properties)使用效能(performance)合成與制備(synthesisandprocessing)組成與結(jié)構(gòu)(componentsandstructure)構(gòu)成材料科學與工程的四組元四面體關(guān)系1/15/20235合成與制備合成主要指促使原子、分子結(jié)合而構(gòu)成材料的化學與物理過程.既包括有關(guān)尋找新合成方法的科學可題、也包括以適用的數(shù)量和形態(tài)合成材料的技術(shù)問題；既包括新材料的合成,也應(yīng)包括已有材料的新合成方法(加溶膠—凝被法)及其新形態(tài)(如纖維、薄膜)的合成.制備主要指材料在宏觀遲到上加工、處理、裝配和制造等一系列過程，使之具有所需的性質(zhì)和使用效能.

合成與制備是提高材料質(zhì)量、降低牛產(chǎn)成本和提高經(jīng)濟效益的關(guān)鍵,也是開發(fā)新材料、新器件的小心環(huán)節(jié).1/15/20236組成和結(jié)構(gòu)

組成指構(gòu)成材料物質(zhì)的原子、分子及其分布;除主要組成以外,雜質(zhì)及對材料結(jié)構(gòu)與性能有重要影響的微量添加物亦不能忽略.

結(jié)構(gòu)則指組成原干、分子在不同層次上彼此結(jié)合的形式、狀態(tài)和空間分布，包括原子與電子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、相結(jié)構(gòu)、晶粒結(jié)構(gòu)、表面與品界結(jié)構(gòu)、缺陷結(jié)構(gòu)等；在尺度上則包括納米以下、紋米、微米、色米及更宏觀的結(jié)構(gòu)層次.

材料的組成與結(jié)構(gòu)是材料科學與工程的基本研究內(nèi)容,它們指導材料的合成與制備,決定材料的性能和使用效能.1/15/20237性能

性能指材料固有的物理、化學特性,也是確定材料用途的依據(jù).廣義地說,性能是材料在一定的條件下對外部作用的反應(yīng)的定量表述.例如,對外力作用的反應(yīng)為力學性能,對外電場作用的反應(yīng)為電學性能,對光波作用的反應(yīng)為光學性能等等.1/15/20238使用效能使用效能是材料以持定產(chǎn)品形式在使用條件下所表現(xiàn)的效能.它是材料的固有性能、產(chǎn)品設(shè)計、工程持性、使用環(huán)境和效益的綜合表現(xiàn),通常以壽命、效率、可靠性、效益及成本等指標衡量.因此,與工程設(shè)計及生產(chǎn)制造過程密切相關(guān),不僅有宏觀的工程問題,還包括復雜的材料科學問題.例如,材料部件的損毀過程和可靠性往往涉及在特定的溫度、氣氛、應(yīng)力和疲勞環(huán)境廠材料中的缺陷形成和裂紋擴展的微觀機理.

材料的使用效能是材料科學與工程所追求的最終目標、而且在很大程度上代表這一學科的發(fā)展水平.1/15/20239材料科學與工程是多學科交叉1/15/202310材料的選擇(materialsselection)三個重要標準性質(zhì)

機械性能+物理性能失效性

環(huán)境因素:氧化&腐蝕經(jīng)濟性

價格&可用性1/15/202311材料的性質(zhì)(propertiesofmaterials)機械性質(zhì)

(應(yīng)力—應(yīng)變)

強度

延展性

斷裂韌性

抗沖擊強度

蠕變性

疲勞性

磨損物理性質(zhì)熱性能磁性能光學性能失效性能1/15/202312材料的分類(classificationofmaterials)基本分類(按照組成)金屬材料無機非金屬材料有機高分子材料復合材料其他

(按照用途)結(jié)構(gòu)材料功能材料光電、磁熱生物材料1/15/2023132.金屬材料（metals&alloys)金屬材料是以金屬元素為基礎(chǔ)的材料.金屬單質(zhì)一般有良好的塑性,但其機械性能往往很難滿足工程技術(shù)等多方面的需要,因此,金屬材料更多以合金的形式使用.由于價電子的高度離域性,決定了它們具有良好的導電、導熱性能和易氧化腐蝕的性能.高密度

可塑性形變,加工成各種復雜形狀.高延展性,決定了具有高沖擊和斷裂韌性.

1/15/202314合金的基本結(jié)構(gòu)類型(alloys)P291~297合金是由兩種或兩種以上的金屬元素(或金屬與非金屬元素)組成,具有金屬特征和更優(yōu)異性能與使用效能的材料.包括三種結(jié)構(gòu)類型.相互溶解而形成金屬固熔體—強度提高,延展性和導電導熱性能下降.相互起化學作用而形成化合物—性能隨化合物組成、結(jié)構(gòu)與性能而變化

無化學相互作用的機械混合物—性能平均、熔點下降.1/15/202315輕質(zhì)合金(alloys)輕質(zhì)合金是由輕金屬(Al,Mg,Ti,Li等)形成的合金材料.鋁合金:金屬鋁的密度僅2.7g/cm3,導電導熱,但強度、硬度和耐磨性能差,若與Mg、Cu、Zn、Mn、Si等形成合金,機械性能會大幅度改善.

經(jīng)熱處理提高強度的變形鋁合金為硬鋁合金,其制品的強度和鋼相近,而質(zhì)量僅為鋼的1／4左右,但耐腐蝕性較差.如Al-Cu-Mg,Al-Cu-Mg-Zn等.用壓力加工法提高強度的變形鋁合金稱為防銹鋁合金,可耐海水腐蝕,可用于造船工業(yè)等.如Al-Mn,Al-Mg等高強高模鋁鋰合金:鋰是最輕金屬,其密度為0.534g/cm3，是鋁的1/5,鋼的1/15.飛機上改用鋁鋰合金后,重量可減輕8％~16％.如B737可減重2178kg,B747SP可減重4200kg.1/15/202316輕質(zhì)合金(lightalloys)鈦合金鈦與Al,V,Cr,Mo,Mn和Fe可形成置換固熔體或金屬間化合物而使其強度提高.具有強度高,密度小,抗磁性,耐高溫,抗腐蝕等優(yōu)點,是宇航工業(yè)的重要結(jié)構(gòu)材料.可助人上天入海.1/15/202317形狀記憶合金(shapememoryalloy)所謂形狀記憶效應(yīng)是指合金材料在一定條件下,變形后仍能恢復到變形前原始形狀的能力.這類合金存在著一對可逆轉(zhuǎn)變的晶體結(jié)構(gòu),在某一轉(zhuǎn)變溫度發(fā)生相轉(zhuǎn)變.1951年美國人在一次試驗中首先發(fā)現(xiàn)Au-Cd合金有記憶形狀的特性.現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有多種合金系統(tǒng)都存在形狀記憶效應(yīng),In-Tl、Ni-Ti、Ti-Ni-Cu、Ti-Ni-Nb合金等.形狀記憶合金具有傳感和驅(qū)動雙重功能,是一種智能材料,可廣泛應(yīng)用于宇航,自控,醫(yī)療和生活等領(lǐng)域.1/15/202318貯氫合金

(hydrogenstoragealloy)某些過渡金屬、合金和金屬間化合物,由于其特殊的晶體結(jié)構(gòu),使氫原子容易進入其晶格的間隙中并形成金屬氫化物,氫與這些金屬的結(jié)合力很弱,但貯氫量很大,可以貯存比其本身體積大1000~1300倍的氫,加熱時氫又能從金屬中釋放出來.

1968年美國布魯海文國家實驗室首先發(fā)現(xiàn)鎂-鎳合金具有吸氫特性,1969年荷蘭菲利普實驗室發(fā)現(xiàn)釤鈷（SmCo5）合金,隨后又發(fā)現(xiàn)鑭-鎳（LaNi5）合金在常溫下具有良好的可逆吸放氫性能,從此引起了人們極大的關(guān)注.已經(jīng)成功開發(fā)了鎂系,稀土系,鈦系,鍺系貯氫合金,正向多元化發(fā)展.貯氫合金貯運氫氣,既輕便又安全,作為一種新型貯能材料具有極為廣泛的應(yīng)用前景.1/15/202319耐熱合金

(heatresistantalloy)一般金屬材料的長期使用溫度500~600℃,能在高于700℃條件下工作的金屬合金稱為耐熱合金.“耐熱”是指材料在高溫下能保持足夠強度和良好的抗氧化性.耐熱合金通常是由第ⅤB~ⅦB和Ⅷ族高熔點金屬形成的合金.

廣泛應(yīng)用于制造渦輪發(fā)電機,各種燃氣輪機熱端部件等.包括鐵基,鎳基,鈷基,鈮基和鎢基等合金.提高鋼鐵耐熱性的途徑:

設(shè)法提高金屬鍵的強度.金屬鍵的強度與原子中成單電子數(shù)有關(guān),所以與Cr,Mo,W等形成合金可提高耐熱性.加入可形成耐高溫化合物如碳化物的金屬,形成合金.1/15/202320低熔點合金(lowmeltingalloy)低熔點合金是指由低熔點金屬Hg,Sn,Pb和Bi形成的合金.

Wood合金:組成為:質(zhì)量分數(shù)50%Bi-25%Pb-13%Sn-12%Cd,熔點僅71℃,應(yīng)用于自動滅火設(shè)備,鍋爐安全裝置以及信號儀表等.焊錫:組成為質(zhì)量分數(shù)37%Pb-63%Sn,熔點183℃.液體合金:組成質(zhì)量分數(shù)77.2%K-22.8%Na,熔點-12.3℃,應(yīng)用于原子能反應(yīng)堆的冷卻劑.

1/15/202321耐腐蝕合金(corrosion-resistantalloy)耐腐蝕金屬:通常具備下述條件之一熱力學穩(wěn)定性高:一般是貴金屬Pt,Pd,Au,Ag,Cu等.

易于鈍化的金屬:Al,Nb,Ta,Ti,Zr,Cr等.

表面能生成難溶的和保護性良好的腐蝕產(chǎn)物膜的金屬.通過特定腐蝕介質(zhì)來實現(xiàn).耐腐蝕合金:抵抗介質(zhì)侵蝕能力比一般金屬材料更高.與熱穩(wěn)定性高的貴金屬形成合金.與易鈍化金屬形成合金.在合金表面形成致密保護膜.1/15/202322磁性材料

(magneticmaterials)磁性體是由電磁作用而產(chǎn)生磁化的物質(zhì).凡是能磁化到較大磁化強度并在實際中可利用其磁性的強磁性體稱為磁性材料.磁性材料主要有兩大類

矯頑力極大,并且以剩余磁通密度很高為特征,稱為硬磁材料或永磁材料,在發(fā)電機、電氣儀表等方面大量應(yīng)用；矯頑力小,外部磁場的微小變化即可引起磁化的很大變化,為磁損失小的高導磁率材料,稱為軟磁材料,主要用于電動機及變壓器的磁芯以及各種磁頭材料、磁性密封材料和微波材料等.此外還有利用磁滯曲線非線性部分的磁記錄材料和磁存儲材料以及磁致伸縮材料和磁光材料等.

1/15/202323永磁合金

(permanentmagnetalloy)矯頑力極大,并且以剩余磁通密度很高為特征,稱為硬磁材料或永磁材料.

最早的永磁合金是具有鐵磁性的Fe,Co,Ni的合金.稀土永磁合金

SmCo5Sm2Co17

Nd-Fe-B

Sm2Fe17N2Pr-Fe-B-Cu

1/15/202324巨磁阻效應(yīng)

(giganticreluctanceeffect)在一定磁場下材料電阻改變的現(xiàn)象稱磁電阻.巨磁阻是指在一定磁場下電阻急劇減小的現(xiàn)象.比一般磁性合金強10多倍.

1988年巴黎大學肯特教授首次在Fe/Cr多層膜中發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng).隨后在Fe/Cu,Fe/Al,Fe/Au,Co/Cu,Co/Ag和Co/Au等納米結(jié)構(gòu)的多層膜中發(fā)現(xiàn)了顯著的巨磁阻效應(yīng).巨磁阻效應(yīng)在高密度讀出磁頭,磁存儲元件等高技術(shù)領(lǐng)域有廣泛用途.1994年IBM公司研制成功巨磁阻效應(yīng)的讀出磁頭,磁記錄密度提高17倍,達5Gbit/in2,現(xiàn)衣超過11Gbit/in2.

巨磁阻效應(yīng)還可用于制備無電源隨機存儲器,微弱磁場探測器.1/15/202325非晶態(tài)金屬(amorphousmetal)將某些金屬熔體,以極快的速度急劇冷卻,如106K/s,無序的原子被迅速“凍結(jié)”而形成無定型的固體,稱非晶態(tài)金屬,亦稱金屬玻璃.

能形成非晶態(tài)的合金有兩類:金屬之間的合金:如Cu60Zr40,La76Au24,U70Cr30等.

金屬與非金屬形成的合金:如Fe80B20,Fe40Ni40P14O6和Fe5Co70Si15B10等.

制備非晶態(tài)合金的技術(shù):氣相沉積法,激光表層熔化法,離子注入法,化學沉積法和電沉積法等.性能特點:強度韌性兼具;耐蝕性優(yōu)異;低損耗,高磁導;一定的催化性能和貯氫能力.1/15/2023263.無機非金屬材料

(inorganicnonmetalmaterials)除金屬以外的無機材料統(tǒng)稱無機非金屬材料.傳統(tǒng)的無機非金屬材料主要有陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料四種,化學組成均為硅酸鹽類,因此無機非金屬材料亦稱硅酸鹽材料;又因其中陶瓷材料歷史最悠久,應(yīng)用甚為廣泛,故國際上常稱之為陶瓷材料.先進無機非金屬材料,亦稱無機新材料.包括結(jié)構(gòu)陶瓷,復合材料,功能陶瓷,半導體,新型玻璃,非晶態(tài)材料和人工晶體等.1/15/202327無機非金屬材料的特點晶體結(jié)構(gòu):結(jié)合力主要為離子健、共價鍵或離子-共價混合鍵.賦于這類材料以高熔點、高強度、耐磨損、高硬度、耐腐蝕和抗氧化的基本屬性,以及新近發(fā)現(xiàn)的寬廣的導電、導熱性和透光性以及良好的鐵電性、鐵磁性和壓電性,高溫超導性等.化學組成:無機非金屬材料已不局限于硅酸鹽,還包括其他含氧酸鹽、氧化物、氯化物、碳與碳化物、硼化物、氟化物、硫系化合物、硅、鍺、III~V族及II~VI族化合物等.其形態(tài)初形狀也趨于多樣化,復合材料、薄膜、纖維、單晶和非晶材料占有越來越重要的地應(yīng).制備:高純度、高細度的原料,并精確控制化學組成、添加物的數(shù)量和分布、晶體結(jié)構(gòu)和材料微觀結(jié)構(gòu)等.1/15/202328傳統(tǒng)的無機非金屬材料天然硅酸鹽:其基本結(jié)構(gòu)單元為硅氧四面體(SiO4)4-,即硅位于四面體的中心,四個氧原子位于四面體的四個頂點.(SiO4)4-四面體相互結(jié)合,或與金屬離子形成:具有單個陰離子,鏈狀和層狀陰離子以及骨架狀結(jié)構(gòu)等四大類硅酸鹽.1/15/202329硅氧骨架結(jié)構(gòu)島狀三方環(huán)四方環(huán)六方環(huán)1/15/202330硅氧骨架結(jié)構(gòu)單鏈雙鏈1/15/202331硅氧骨架結(jié)構(gòu)長石架狀

石英架狀

層狀1/15/202332層狀硅酸鹽礦物滑石高嶺土白云母蛇紋石1/15/202333架狀硅酸鹽礦物長石沸石1/15/202334鏈狀、環(huán)狀硅酸鹽礦物碌簾石電氣石輝石硅灰石硅線石1/15/202335水泥(cement)水泥:是一種水硬性膠凝材料,加入適量水后稱為塑性漿體,可將砂、石纖維等材料黏結(jié)起來,硬化后形成一個整體.

硅酸鹽水泥:以粘土和石灰石(有時加入少量氧化鐵粉)為原料,經(jīng)煅燒成熟料,磨細后混入適量石膏而成.組成為質(zhì)量分數(shù):62~67%CaO+20~24%SiO2+4~7%Al2O3+2~5%Fe2O3.

水泥標號:標準試樣在標準條件下,28天后的強度kg/cm2.

特種水泥:礬土水泥,快凝快硬“雙快水泥”,防裂防滲的“低溫水泥”,能耐1250℃的“耐火水泥”,用于化工生產(chǎn)和特殊場合的“耐酸水泥”.1/15/202336玻璃（glass)廣義上說,凡熔體通過一定方式冷卻，因粘度逐漸增大而具有固體性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征的非晶態(tài)物質(zhì)都稱為玻璃.

普通硅酸鹽玻璃:主要成分是SiO2,Na2O和CaO等,硬而脆.硅酸鹽玻璃中的Na2O被B2O3取代,可得到硬而耐熱的硅硼酸鹽玻璃,最高耐溫可達1600℃,稱為耐熱玻璃.

硅酸鹽玻璃中加入Li2O等成核劑,紫外線照射或特殊熱處理,在體系中形成SiO2和Li2O微晶,得到微晶玻璃.強度提高6倍,比高碳鋼硬,比鋁輕,900

℃入冷水而不碎.

石英玻璃:熱膨脹系數(shù)極小,1100~1200℃可長期使用.

鋼化玻璃:高強而安全,碎塊不尖,不傷人.新玻璃品種:半導體玻璃,激光玻璃,電光玻璃,透紅外線玻璃等.1/15/202337陶瓷(ceramics)

陶瓷:指以粘土為原料,調(diào)制成型,經(jīng)高溫燒結(jié)而制得的硬而脆,耐水的人工硅酸鹽材料.以粘土為原料,調(diào)制成型,低于1000℃燒結(jié)得到的多孔燒結(jié)體,稱陶;以更純粘土與幾乎等量的石英和長石,調(diào)制成型后,1200℃煅燒,在經(jīng)涂釉,升至1400℃煅燒,得到帶有細釉的“瓷器”.傳統(tǒng)的陶瓷材料是復雜的多晶體,是晶粒、晶界、氣孔和玻璃包裹物的集合體.細化晶粒,提高致密程度,減小氣孔率,增加附加能量消耗材料相,可提高陶瓷的強度和韌性.1/15/202338精細陶瓷(advancedceramics)

結(jié)構(gòu)陶瓷:指具有高硬、高強、耐磨耐蝕、耐高溫和潤滑性好等性能,用做機械結(jié)構(gòu)零部件的陶瓷材料.氧化鋁:高純超細氧化鋁經(jīng)高溫燒結(jié)而得.使用溫度高達1980℃,用途極廣.高純氧化鋁加入少量Y2O3和MgO等,特殊燒結(jié),可得透明陶瓷.少量Cr2O3與Al2O3形成固溶體,稱紅寶石,是激光材料.

氧化鋯:離子鍵結(jié)合,性脆.加入少量Y2O3和CaO等可實現(xiàn)增韌,得到“陶瓷綱”.

氮化硅:硬度為9.低膨脹,高熱導,可適應(yīng)溫度的急劇變化.Si3N4可與Al2O3形成固溶體,制得新材料“塞龍(sialon)”.

碳化硅:SiC,俗稱“金剛砂”,原子晶體.高溫強度極高,摻雜可制得半導體材料,制作發(fā)熱元件.已用于制造無冷卻式陶瓷發(fā)動機.1/15/202339精細陶瓷(advancedceramics)

功能陶瓷:指以其固有的特性或通過各種物理因素作用而顯示某種新性能的陶瓷材料.壓電陶瓷:具有壓電效應(yīng)的陶瓷材料.主要有:鈦酸鋇系、鈦酸鉛系和鋯鈦酸鉛系.用于制造各種換能器和傳感器.晶體受外力作用而形變,同時在對應(yīng)兩個面上產(chǎn)生電荷,晶體帶電的大小與外力成正比;相反,在外加電場作用下,在晶體相應(yīng)面上會產(chǎn)生形變,該現(xiàn)象稱“壓電效應(yīng)”.

光導纖維:光通信的關(guān)鍵.SiO2和LaF3已實用化.

固體電解質(zhì):AgI離子晶體,Y2O3和CaO穩(wěn)定的ZrO2,Na-b-Al2O3等.

傳感材料1/15/202340半導體材料(semiconductingmaterial)

半導體材料:室溫電阻率為10-4~1010·cm,依靠電子和孔穴這兩類載流子的遷移實現(xiàn)導電的材料.半導體材料類型:

元素半導體：包括Si,Ge,Sn,P,As,Se等,但實用的純單質(zhì)只有Si和Ge.均使用其高純單質(zhì),如大規(guī)模集成電路使用的硅純度超過99.9999999,現(xiàn)已能制得14個9的單晶硅.

摻雜半導體:適當摻雜大幅度提高電導率,通過調(diào)整雜質(zhì)含量控制電導率,包括p-型如Si(B,Al),Ge(Ga)和n-型半導體如Si(P,As),Ge(As).

化合物半導體:AxB8-x(x=1,2,3),即I-VII,II-VI,III-V族元素的組合,具有金剛石型或ZnS型晶體結(jié)構(gòu),以共價鍵為主.實用化最多的是III-V型,性能最好的是GaAs,亮灰,硬而脆,摻Te,得n-型,摻Zn或Cd得p-型.缺陷半導體:氧化物和硫化物,結(jié)構(gòu)中存在陰離子或陽離子空位.1/15/202341超導材料(superconductingmaterials)

超導電性:某些材料隨溫度降低,電阻率下降,在某一特定溫度附近,電阻突然消失的現(xiàn)象.具有超導電性的材料稱超導材料.

荷蘭物理學家H.K.Onnes:1911年首次發(fā)現(xiàn)Hg在4.15K時出現(xiàn)0電阻.1973年得到Tc為23.2K的Nb3Ge超導體.20世紀80年代中期,世界超導研究出現(xiàn)高潮,取得巨大突破:1986年瑞士貝德諾茲和繆勒發(fā)現(xiàn)了Tc=35K的La-Ba-Cu-O混合氧化物.1987年美籍華人朱經(jīng)武發(fā)現(xiàn)了Tc=90K的超導氧化物.我國趙中賢研究組制得了Tc=93K的Y-Ba-Cu-O混合氧化物,并測定了晶體結(jié)構(gòu).超導溫度已高于液氮沸點77K,進入實用化階段.科大研究組已制得了Tc=132K的Bi-Pb-Sb-Sr-Ca-Cu-O超導體.以C60為基礎(chǔ)的有機超導體研究也取得了突破性進展.超導材料在能源輸送,磁懸浮列車,醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景.1/15/2023424.高分子材料高分子材料學科的基本任務(wù)是：研究高分子材料的合成、結(jié)構(gòu)和組成與材料的性質(zhì)、性能之間的相互關(guān)系;探索加工工藝和各種環(huán)境因素對高分子材料性能的影響;為改進工藝,提高高分子材料的質(zhì)量,合理使用高分子材料,開發(fā)新材料、新工藝和新的應(yīng)用領(lǐng)域提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù).高分子材料學科是一門年輕而新興的學科,它的發(fā)展要求科學和工程技術(shù)最為密切的配合,它的進步需要跨部門、多學科的最佳協(xié)調(diào)和共同參與.1/15/202343術(shù)語（Nomenclatures）Macromolecule(大分子):由大量原子組成,具有高的相對分子質(zhì)量或分子重量.Polymermolecule(聚合物分子,簡稱高分子):由許多(poly)部分(mer,單體單元或鏈節(jié))組成的多重重復的分子.一個高分子總是一個大分子,但一個大分子不一定是高分子.Polymer(聚合物):是由許多聚合物分子組成的一種物質(zhì),它是一種聚合的物質(zhì).1/15/2023441/15/202345高分子材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系結(jié)構(gòu)決定性能，性能反映結(jié)構(gòu).根據(jù)需要選擇性能，根據(jù)性能設(shè)計結(jié)構(gòu)，進而合成高分子材料，改性高分子材料.高分子結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系及其變化規(guī)律,是高分子分子設(shè)計的基礎(chǔ),同時也是確定高分子加工成型工藝的依據(jù).1/15/202346聚合物結(jié)構(gòu)的主要特點鏈式結(jié)構(gòu)鏈的柔性多分散性

凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的復雜性高分子鏈依靠分子內(nèi)和分子間的范德華力相互作用培砌在一起，可呈現(xiàn)為晶態(tài)和非晶態(tài)．交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)1/15/202347線形非晶態(tài)聚合物的物理形態(tài)線形非晶態(tài)聚合物無一定的熔點,隨溫度的變化,呈現(xiàn)三種物理形態(tài):當T>Tf時,聚合物呈粘流態(tài)(能流動的粘稠液體),如常溫下的膠粘劑或涂料;

當T<Tg時,聚合物呈玻璃態(tài)(玻璃狀堅硬固體),如常溫下的塑料;當Tg<T<Tf時,聚合物呈高彈態(tài)(受力形變,除力回復的高彈體),如常溫下的橡膠.1/15/202348聚合物分子內(nèi)與分子間相互作用力

物質(zhì)的結(jié)構(gòu)是指物質(zhì)的組成單元(原于或分子)之間在相互吸引和排斥作用達到平衡時的空間誹布．因此為了認識高聚物的結(jié)構(gòu)，首先應(yīng)了解存在于高聚物分子內(nèi)和分子間的相互作用．

化學鍵

構(gòu)成分子的原子間的作用力有吸引力和斥力，吸引力是原子形成分于的結(jié)合力，叫作主價力，或稱鍵合力．斥力是各原子的電子之間的相互排斥力．當吸引力和斥力達到平衡時，便形成穩(wěn)定的化學鍵．共價鍵:

離子鍵:

(CH2—CH)nCOO-H+(CH2—CH)nNH+OH-聚丙烯酸聚丙烯胺1/15/202349

離子型聚合物(ionomer)中也有離子鍵存在，例如以乙烯和10%左右的丙烯酸的共聚物為主鏈，以金屬離子Mg2+為交聯(lián)劑的高聚物：常溫下成鍵,高溫下解離.高溫加工,冷卻交聯(lián).結(jié)晶度低,透明性好,沖擊和拉伸強度高.金屬鍵是由金屬原子的價電子和金屬離子晶格之間的相互作用而形成的，無方向性和飽和性，賦予高導電性．在所謂的“金屬螯合高聚”(metallocenepo1ymer)中可以說存在金屬鍵．1/15/202350

范德華力

作用能:2~8kJ/mol是存在于分子間或分子內(nèi)非鍵合原于間的相互作用力．兩分子間的范德華力F(r)及相互作用能E(r)是分子之間距離r的函數(shù)如圖所示.當r=r0時,F(r)=0靜電力:極性分子之間,溫度T成反比,與距離的7次方成反比;誘導力:極性分子與非極性分子之間,與溫度有關(guān),與距離的7次方成反比;色散力:非極性分子之間,與溫度無關(guān),與距離的7次方成反比;r1/15/202351氫鍵氫鍵是與電負性較強的原子相結(jié)合的氫原子(如X—H)同時與另一個電負性較強的原子(如Y)之間的相互作用，即(X—H…Y)．這些電負性鉸強的原子一般是氮、氧或鹵素原子．一般認為在氫鍵中，X—H基本上是共價鍵，而H…Y則是一種強而有方向性的范德華力．這里把氫鍵歸入范德華力是因為氫鍵本質(zhì)上是帶有部分負電荷的Y與電偶極矩很大的極性鍵X—H間的靜電吸引相互作用.

氫鍵的鍵能:13~29kJ/mol.

氫鍵鍵長:0.24~0.32nm.

氫鍵可以存在于分子內(nèi)和分子問，在聚酰胺、聚氨酯和生物大分子中起著重要的作用．1/15/202352高分子鏈的近程結(jié)構(gòu)聚乙烯聚丙烯聚苯乙烯聚氯乙烯聚甲基丙烯酸甲酯[CH=CH-CH=CH]n

聚乙炔鏈結(jié)構(gòu)單元:1/15/202353[CF2—CF2]n

聚四氟乙烯[CH2—CH=CH—CH2]n

聚丁二烯[CH2—CH=C—CH2]n

聚異戊二烯

CH3尼龍-6,6聚丙烯氰聚對苯二甲酸乙二醇酯聚酰亞胺1/15/202354聚合物分子單體必須是雙官能團的小分子具有兩個(或多個)官能的末端基團.二元醇,二元酸,二元胺羥基羧酸,氨基酸硫化鈉Na2S三元胺,四羧酸等.具有重鍵的單體:碳碳雙鍵,碳碳三鍵;碳氮三鍵和碳氧雙鍵等.在環(huán)中含有雜原子的環(huán)狀單體:如環(huán)氧乙烷,四氫呋喃,六甲基環(huán)三硅氧烷,己內(nèi)酰胺等.1/15/202355基于結(jié)構(gòu)的高分子均鏈高分子(homochainpolymer）

一種鏈原子.元素高分子:主鏈中含有:Si,S,P,Al,Sb等雜鏈高分子:如PEO,POM,PA等1/15/202356

鏈結(jié)構(gòu)單元的鍵接方式頭-頭尾-尾頭-尾

通過裂解方法檢測鏈結(jié)構(gòu)單元鍵接方式.1/15/202357

交聯(lián)和枝化HDPELDPELLDPE

高分于鏈之間通過化學鍵鍵接而形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，稱為交聯(lián)．熱固性塑料、硫化橡皮，羊毛、頭發(fā)等都是交聯(lián)結(jié)構(gòu)的聚合物．它們具有不溶不熔的特點，因此，可交聯(lián)的高聚物的成型只能在形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)以前，一經(jīng)形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，形狀就不能再改變．交聯(lián)結(jié)構(gòu)的高聚吻具有更優(yōu)越的性能，例如耐熱、耐溶劑、尺寸穩(wěn)定等．交聯(lián)聚乙烯的性能相對線形和支化聚乙烯具有更高的抗張強度和耐熱性．橡膠只有經(jīng)過硫化才能形成真正的彈性體—橡皮．1/15/202358ImportantPropertiesofPolymers低密度(Density:Low–lightweight)良好絕緣(Goodelectrical&thermalinsulators)易變形和加工(Flexible&subjecttodeformation)耐熱溫度低(ThermalTransitions:~100oC)

機械強度(mechanicalstrength)隨結(jié)構(gòu)不同而變化化學穩(wěn)定性好,不腐蝕,但可氧化燃燒,空氣中易老化.1/15/202359高分子材料的制備聚合物直接應(yīng)用于精細高分子領(lǐng)域（如涂料、黏合劑、油墨、各種助劑等）原料準備和精制配料聚合反應(yīng)合成聚合物：聚合物溶液、聚合物乳液等第一層次聚合物分離干燥的粉狀、粒狀或塊狀聚合物第二層次聚合物后處理：洗滌、干燥、造粒或壓塊、包裝等聚合物成型加工助劑成型的聚合物：塑料、橡膠或纖維第三層次1/15/202360高分子合成反應(yīng)加聚反應(yīng)由若干單體經(jīng)加成反應(yīng)而聚合生成聚合物的過程.由一種單體的聚合稱均聚.產(chǎn)物稱均聚物,如乙烯聚合得聚乙烯.由兩種或多種單體的加聚反應(yīng),稱共聚.產(chǎn)物稱共聚物,與均聚物相比有更高的性能,如苯乙烯(S)與丁二烯(B)共聚,得嵌段共聚物SBS.

加聚反應(yīng)的單體必須具有不飽和碳-碳重鍵.如:

CH2=CH2,CHCH,CH2=C-CH3COOCH3

絕大多數(shù)是不可逆反應(yīng);延長反應(yīng)時間不增加Mr,但可提高單體轉(zhuǎn)化率.1/15/202361高分子合成反應(yīng)

縮聚反應(yīng):低分子單體通過縮合反應(yīng)形成聚合物的過程,產(chǎn)物稱縮聚物,同時有水,醇,氨,或鹵化氫等析出,所以縮聚物的組成與單體不同.如聚酰胺(PA),PA66是HOOC-(CH2)4-COOH與NH2CH2(CH2)4CH2NH2的縮聚產(chǎn)物:

nH2N(CH2)6NH2+nHOOC-(CH2)4COOH

HO[C(CH2)4-C-NH-[(CH2)6-NH]nH+(n-1)H2O

OO單體必須有兩個或兩個以上官能團;逐步完成,可逆反應(yīng);延長反應(yīng)時間不提高單體轉(zhuǎn)化率,但可提高Mr.1/15/202362

合成樹脂和塑料:填充增強增韌,降低成本.教材P332表7.4

通用塑料:應(yīng)用廣,產(chǎn)量大,價格廉的塑料.如聚烯烴:PE,PP,PS等;PVC;酚醛,環(huán)氧,聚酯,尿醛等.

工程塑料:綜合性能好,可代替金屬作工程材料,制造機器零部件的塑料.最重要的有:聚甲醛聚酰胺聚碳酸酯聚四氟乙烯

ABS塑料耐熱工程塑料重要高分子材料1/15/202363

橡膠:使用溫度范圍內(nèi)處于高彈態(tài)的線性聚合物.在較小的外力作用下,能產(chǎn)生很大的形變,外力除去后又能恢復到原始狀態(tài).工業(yè)上用做彈性,密封,防震和傳動材料.韌性好,強度低.填充增強非常重要.天然橡膠:橡膠樹上流出的膠乳,其主要成分是異戊二烯的聚合體,經(jīng)凝固,干燥變成彈性固體,稱生膠,經(jīng)硫化,成型得橡膠制品.

合成橡膠:最重要的有:丁苯橡膠:丁二烯與苯乙烯的線性共聚物.順丁橡膠:1,3-丁二烯經(jīng)1,4加成聚合而得.乙丙橡膠:乙烯與丙烯共聚物.氯丁橡膠:2-氯-1,3-丁二烯的聚合物.特種合成橡膠:丁腈橡膠:丁二烯,丙烯腈共聚物.丁基橡膠:異丁烯與少量異戊二烯的共聚物.氟橡膠:分子鏈或側(cè)鏈上有氟的線性聚合物.1/15/202364

粘結(jié)劑:能將兩種固體材料連接起來,具有良好的粘結(jié)性能的物質(zhì).

天然粘結(jié)劑:淀粉,蟲膠,松香等.

合成粘結(jié)劑:合成樹脂.粘度適當,流動性好;能重復潤濕被粘結(jié)物的表面,填補其凹凸不平處;通過物理-化學作用,經(jīng)固化處理,將被粘物粘結(jié)起來,具有較強的附著力和內(nèi)聚力.分子鏈中具有極性基團-OH,-NH2,-CN,-COOH,

等的聚合物一般具有較強的粘結(jié)力.性能優(yōu)良的有聚氰基丙烯酸酯環(huán)氧樹脂(萬能膠).三種類型:反應(yīng)固化型溶液-乳液型熱熔膠OCH2CH21/15/202365導電高分子材料

ElectricallyConductivePolymerMaterials有機高分子磁性材料

OrganicPolymericMagneticMaterials介電高分子材料（高分子電絕緣材料）

DielectricPolymerMaterials高分子光導材料

PhotoconductivePolymers

功能高分子材料1/15/202366高分子太陽能轉(zhuǎn)換材料PolymericSolarEnergyConversionMaterials高分子駐極體PolymericElectrets

高分子壓電材料

PolymericPiezoelectricMaterials高分子透明材料PolymericTransparentMaterials高分子非線性光學材料PolymericNonlinearOpticalMaterials1/15/202367高分子光導纖維

PolymericOpticalFibers高分子固體電解質(zhì)SolidPolymerElectrolytes高分子燒蝕材料

AblativePolymerMaterials高吸水高分子材料

PolymericSuper-AbsorbentsofWater高分子液晶材料

LiquidCrystallinePolymers1/15/202368緩釋高分子材料

PolymericMaterialsforControlledRelease高分子減阻劑

PolymerDragReducers

酶固定高分子材料

EnzymeImmobilizedPolymericMaterials高分子模擬酶PolymericMimicEnzyme生物降解高分子材料

BiodegradablePolymericMaterials1/15/202369生物醫(yī)學高分子材料

BiomedicalPolymers離子交換樹脂

IonExchangeResin高分子分離膜

PolymericMembraneforSeparation高分子屏蔽材料

PolymericShieldingMaterials高分子阻尼材料

PolymericDampingMaterials高分子密封材料

PolymericSealingMaterials1/15/202370高分子摩擦材料

PolymericFrictionMaterials高分子形狀記憶材料

PolymericShapeMemoryMaterials高分子隱身材料

PolymericStealthMaterials高分子催化劑

PolymerCatalysts高分子封裝材料

PottingPolymerMaterials1/15/202371聚合物改性

高分子材料改性是指通過各種方法改進已有材料的結(jié)構(gòu)、組成,以達到改善性能,擴大品種和應(yīng)用范圍的目的.通常包括化學改性和物理改性兩類方法.

化學改性:借助于化學反應(yīng),改變高分子分子結(jié)構(gòu)和組成,控制聚集態(tài)結(jié)構(gòu),提高綜合性能.

交聯(lián)反應(yīng):借助化學鍵的形成,使線性聚合物結(jié)合成體型聚合物.如橡膠硫化.可提高材料的機械強度,耐溶劑性和耐熱性等.

共聚反應(yīng):由兩種或兩種以上單體通過共聚生成共聚物,實現(xiàn)在性能上取長補短.如ABS,SBS,乙丙共聚物等.

官能化反應(yīng):在聚合物鏈上,引入其他官能團,賦予聚合物材料某種功能或提高材料綜合性能.如苯乙烯-二乙烯苯共聚物磺化在分子鏈上引入磺酸基制備離子交換樹脂.馬來酸酐接枝PP或PE等.1/15/202372聚合物改性

物理改性:通過加入其他組分,借助于組分間的物理相互作用,改善原有聚合物的性能.填充改性:通過一定加工途徑,向聚合物樹脂基體中填充各種填料如CaCO3,高嶺土,滑石粉,木粉等.提高聚合物的強度,降低成本.共混改性:不同聚合物混合,形成“合金”,揚長避短,增強增韌,提高性能,降低成本.橡-塑共混可使橡膠增強,成本大幅度降低.塑-橡共混可使塑料增韌.復合改性:由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料合理組合制得的多相材料.如玻璃纖維增強聚合物:玻璃鋼,聚合物/無機物復合材料等.1/15/2023735.復合材料

金屬材料易腐蝕;高分子材料易老化,不耐高溫;無機非金屬材料韌性差,易碎裂.三者優(yōu)化組合,制備性能優(yōu)異的復合材料.復合材料大多是以連續(xù)相存在的基體材料和分散于基體中的增強材料組成.增強材料:能提高材料基本力學性能的物質(zhì).包括粒子和纖維.無機納米粒子具有更高的增強增韌效應(yīng);纖維具有良好的剛性和抗張強度.在體系中構(gòu)成復合材料的骨架,決定材料的剛性和強度.基體材料:使增強材料粘合成型,且對承受的外力起傳導和分散作用.21世紀是復合材料的世紀.1/15/202374聚合物基復合材料

主要指纖維增強聚合物材料.環(huán)氧樹脂包埋碳纖維復合材料.網(wǎng)球拍,高爾夫球棍和滑雪撬等.玻璃纖維增強聚酯復合材料—玻璃鋼.應(yīng)用極端廣泛.玻璃纖維增強聚酰胺,可大幅度提高聚酰胺的機械強度,耐水性,尺寸穩(wěn)定性和使用溫度.碳纖維增強聚酰亞胺已用于制備汽車發(fā)電機.和飛機零配件.1/15/202375金屬基復合材料

鋁基(碳纖維增強)復合材料.鎳基(鎢絲增強)復合材料.提高耐溫性能.鈦基復合材料1/15/202376陶瓷基復合材料

陶瓷包埋纖維或晶須復合材料可大幅度提高材料的韌性.法國長纖維增強碳化硅:應(yīng)用于制造高速列車的制動件.美國陶瓷基復合材料應(yīng)用于制造渦輪發(fā)動機.我國碳纖維增強石英復合材料,為我國航天事業(yè)“再返大氣層的超高溫防熱問題”,提供了關(guān)鍵材料.1/15/2023776.納米科技與納米材料

納米科學技術(shù):20世紀80年代末誕生并在蓬勃發(fā)展的一中高新科技.是在納米尺寸范圍內(nèi)認識和改造自然通過直接操縱原子和分子