化學(xué)及新材料

化學(xué)與新材料李侃社趙世永西安科技大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院2/2/20231主要內(nèi)容1.化學(xué)與材料科學(xué)技術(shù)2.金屬材料3.無(wú)機(jī)非金屬材料4.有機(jī)高分子材料5.復(fù)合材料6.納米材料與納米科技2/2/20232

現(xiàn)代高科技(modernhigh-tech)

信息、材料、能源、生物技術(shù)：

—社會(huì)文明支柱，科技創(chuàng)新的重要標(biāo)志

材料—人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的里程碑！

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

化學(xué)—材料科學(xué)技術(shù)的理論基礎(chǔ).2/2/202331.材料科學(xué)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(lài)關(guān)系的規(guī)律—材料科學(xué).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(kāi)發(fā)并生產(chǎn)出材料,提高材料的使用效能,以滿(mǎn)足社會(huì)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(xué)與工程彼此密切結(jié)合,構(gòu)成個(gè)學(xué)科整體.2/2/20234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(xué)與工程的四組元四面體關(guān)系2/2/20235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(xué)與物理過(guò)程.既包括有關(guān)尋找新合成方法的科學(xué)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(wèn)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(guò)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(jì)效益的關(guān)鍵,也是開(kāi)發(fā)新材料、新器件的小心環(huán)節(jié).2/2/20236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(duì)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(xué)與工程的基本研究?jī)?nèi)容,它們指導(dǎo)材料的合成與制備,決定材料的性能和使用效能.2/2/20237性能

性能指材料固有的物理、化學(xué)特性,也是確定材料用途的依據(jù).廣義地說(shuō),性能是材料在一定的條件下對(duì)外部作用的反應(yīng)的定量表述.例如,對(duì)外力作用的反應(yīng)為力學(xué)性能,對(duì)外電場(chǎng)作用的反應(yīng)為電學(xué)性能,對(duì)光波作用的反應(yīng)為光學(xué)性能等等.2/2/20238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(jì)、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(biāo)衡量.因此,與工程設(shè)計(jì)及生產(chǎn)制造過(guò)程密切相關(guān),不僅有宏觀的工程問(wèn)題,還包括復(fù)雜的材料科學(xué)問(wèn)題.例如,材料部件的損毀過(guò)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(kuò)展的微觀機(jī)理.

材料的使用效能是材料科學(xué)與工程所追求的最終目標(biāo)、而且在很大程度上代表這一學(xué)科的發(fā)展水平.2/2/20239材料科學(xué)與工程是多學(xué)科交叉2/2/202310材料的選擇(materialsselection)三個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)性質(zhì)

機(jī)械性能+物理性能失效性

環(huán)境因素:氧化&腐蝕經(jīng)濟(jì)性

價(jià)格&可用性2/2/202311材料的性質(zhì)(propertiesofmaterials)機(jī)械性質(zhì)

(應(yīng)力—應(yīng)變)

強(qiáng)度

延展性

斷裂韌性

抗沖擊強(qiáng)度

蠕變性

疲勞性

磨損物理性質(zhì)熱性能磁性能光學(xué)性能失效性能2/2/202312材料的分類(lèi)(classificationofmaterials)基本分類(lèi)(按照組成)金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料復(fù)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2/2/2023132.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(jī)械性能往往很難滿(mǎn)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(jià)電子的高度離域性,決定了它們具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)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(fù)雜形狀.高延展性,決定了具有高沖擊和斷裂韌性.

2/2/202314合金的基本結(jié)構(gòu)類(lèi)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(lèi)型.相互溶解而形成金屬固熔體—強(qiáng)度提高,延展性和導(dǎo)電導(dǎo)熱性能下降.相互起化學(xué)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(wú)化學(xué)相互作用的機(jī)械混合物—性能平均、熔點(diǎn)下降.2/2/202315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(dǎo)電導(dǎo)熱,但強(qiáng)度、硬度和耐磨性能差,若與Mg、Cu、Zn、Mn、Si等形成合金,機(jī)械性能會(huì)大幅度改善.

經(jīng)熱處理提高強(qiáng)度的變形鋁合金為硬鋁合金,其制品的強(qiáng)度和鋼相近,而質(zhì)量?jī)H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(qiáng)度的變形鋁合金稱(chēng)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(qiáng)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(jī)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.2/2/202316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(qiáng)度提高.具有強(qiáng)度高,密度小,抗磁性,耐高溫,抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn),是宇航工業(yè)的重要結(jié)構(gòu)材料.可助人上天入海.2/2/202317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(fù)到變形前原始形狀的能力.這類(lèi)合金存在著一對(duì)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(guó)人在一次試驗(yàn)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(dòng)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.2/2/202318貯氫合金

(hydrogenstoragealloy)某些過(guò)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(jìn)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(shí)氫又能從金屬中釋放出來(lái).

1968年美國(guó)布魯海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(kāi)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(yùn)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.2/2/202319耐熱合金

(heatresistantalloy)一般金屬材料的長(zhǎng)期使用溫度500~600℃,能在高于700℃條件下工作的金屬合金稱(chēng)為耐熱合金.“耐熱”是指材料在高溫下能保持足夠強(qiáng)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(diǎn)金屬形成的合金.

廣泛應(yīng)用于制造渦輪發(fā)電機(jī),各種燃?xì)廨啓C(jī)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(qiáng)度.金屬鍵的強(qiáng)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.2/2/202320低熔點(diǎn)合金(lowmeltingalloy)低熔點(diǎn)合金是指由低熔點(diǎn)金屬Hg,Sn,Pb和Bi形成的合金.

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

2/2/202321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(xué)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(hù)性良好的腐蝕產(chǎn)物膜的金屬.通過(guò)特定腐蝕介質(zhì)來(lái)實(shí)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(hù)膜.2/2/202322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(qiáng)度并在實(shí)際中可利用其磁性的強(qiáng)磁性體稱(chēng)為磁性材料.磁性材料主要有兩大類(lèi)

矯頑力極大,并且以剩余磁通密度很高為特征,稱(chēng)為硬磁材料或永磁材料,在發(fā)電機(jī)、電氣儀表等方面大量應(yīng)用；矯頑力小,外部磁場(chǎng)的微小變化即可引起磁化的很大變化,為磁損失小的高導(dǎo)磁率材料,稱(chēng)為軟磁材料,主要用于電動(dòng)機(jī)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(chǔ)材料以及磁致伸縮材料和磁光材料等.

2/2/202323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(chēng)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

2/2/202324巨磁阻效應(yīng)

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

1988年巴黎大學(xué)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(chǔ)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(dá)5Gbit/in2,現(xiàn)衣超過(guò)11Gbit/in2.

巨磁阻效應(yīng)還可用于制備無(wú)電源隨機(jī)存儲(chǔ)器,微弱磁場(chǎng)探測(cè)器.2/2/202325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(wú)序的原子被迅速“凍結(jié)”而形成無(wú)定型的固體,稱(chēng)非晶態(tài)金屬,亦稱(chēng)金屬玻璃.

能形成非晶態(tài)的合金有兩類(lèi):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(xué)沉積法和電沉積法等.性能特點(diǎn):強(qiáng)度韌性兼具;耐蝕性?xún)?yōu)異;低損耗,高磁導(dǎo);一定的催化性能和貯氫能力.2/2/2023263.無(wú)機(jī)非金屬材料

(inorganicnonmetalmaterials)除金屬以外的無(wú)機(jī)材料統(tǒng)稱(chēng)無(wú)機(jī)非金屬材料.傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料主要有陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料四種,化學(xué)組成均為硅酸鹽類(lèi),因此無(wú)機(jī)非金屬材料亦稱(chēng)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(guó)際上常稱(chēng)之為陶瓷材料.先進(jìn)無(wú)機(jī)非金屬材料,亦稱(chēng)無(wú)機(jī)新材料.包括結(jié)構(gòu)陶瓷,復(fù)合材料,功能陶瓷,半導(dǎo)體,新型玻璃,非晶態(tài)材料和人工晶體等.2/2/202327無(wú)機(jī)非金屬材料的特點(diǎn)晶體結(jié)構(gòu):結(jié)合力主要為離子健、共價(jià)鍵或離子-共價(jià)混合鍵.賦于這類(lèi)材料以高熔點(diǎn)、高強(qiáng)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(dǎo)電、導(dǎo)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(dǎo)性等.化學(xué)組成:無(wú)機(jī)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(fù)合材料、薄膜、纖維、單晶和非晶材料占有越來(lái)越重要的地應(yīng).制備:高純度、高細(xì)度的原料,并精確控制化學(xué)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.2/2/202328傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)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(gè)氧原子位于四面體的四個(gè)頂點(diǎn).(SiO4)4-四面體相互結(jié)合,或與金屬離子形成:具有單個(gè)陰離子,鏈狀和層狀陰離子以及骨架狀結(jié)構(gòu)等四大類(lèi)硅酸鹽.2/2/202329硅氧骨架結(jié)構(gòu)島狀三方環(huán)四方環(huán)六方環(huán)2/2/202330硅氧骨架結(jié)構(gòu)單鏈雙鏈2/2/202331硅氧骨架結(jié)構(gòu)長(zhǎng)石架狀

石英架狀

層狀2/2/202332層狀硅酸鹽礦物滑石高嶺土白云母蛇紋石2/2/202333架狀硅酸鹽礦物長(zhǎng)石沸石2/2/202334鏈狀、環(huán)狀硅酸鹽礦物碌簾石電氣石輝石硅灰石硅線石2/2/202335水泥(cement)水泥:是一種水硬性膠凝材料,加入適量水后稱(chēng)為塑性漿體,可將砂、石纖維等材料黏結(jié)起來(lái),硬化后形成一個(gè)整體.

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

水泥標(biāo)號(hào):標(biāo)準(zhǔn)試樣在標(biāo)準(zhǔn)條件下,28天后的強(qiáng)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(chǎng)合的“耐酸水泥”.2/2/202336玻璃（glass)廣義上說(shuō),凡熔體通過(guò)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(chēng)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(dá)1600℃,稱(chēng)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(qiáng)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(zhǎng)期使用.

鋼化玻璃:高強(qiáng)而安全,碎塊不尖,不傷人.新玻璃品種:半導(dǎo)體玻璃,激光玻璃,電光玻璃,透紅外線玻璃等.2/2/202337陶瓷(ceramics)

陶瓷:指以粘土為原料,調(diào)制成型,經(jīng)高溫?zé)Y(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(chēng)陶;以更純粘土與幾乎等量的石英和長(zhǎng)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(xì)釉的“瓷器”.傳統(tǒng)的陶瓷材料是復(fù)雜的多晶體,是晶粒、晶界、氣孔和玻璃包裹物的集合體.細(xì)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(qiáng)度和韌性.2/2/202338精細(xì)陶瓷(advancedceramics)

結(jié)構(gòu)陶瓷:指具有高硬、高強(qiáng)、耐磨耐蝕、耐高溫和潤(rùn)滑性好等性能,用做機(jī)械結(jié)構(gòu)零部件的陶瓷材料.氧化鋁:高純超細(xì)氧化鋁經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而得.使用溫度高達(dá)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(chēng)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(shí)現(xiàn)增韌,得到“陶瓷綱”.

氮化硅:硬度為9.低膨脹,高熱導(dǎo),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(chēng)“金剛砂”,原子晶體.高溫強(qiáng)度極高,摻雜可制得半導(dǎo)體材料,制作發(fā)熱元件.已用于制造無(wú)冷卻式陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī).2/2/202339精細(xì)陶瓷(advancedceramics)

功能陶瓷:指以其固有的特性或通過(guò)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(shí)在對(duì)應(yīng)兩個(gè)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(chǎng)作用下,在晶體相應(yīng)面上會(huì)產(chǎn)生形變,該現(xiàn)象稱(chēng)“壓電效應(yīng)”.

光導(dǎo)纖維:光通信的關(guān)鍵.SiO2和LaF3已實(shí)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2/2/202340半導(dǎo)體材料(semiconductingmaterial)

半導(dǎo)體材料:室溫電阻率為10-4~1010·cm,依靠電子和孔穴這兩類(lèi)載流子的遷移實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電的材料.半導(dǎo)體材料類(lèi)型:

元素半導(dǎo)體：包括Si,Ge,Sn,P,As,Se等,但實(shí)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(guò)99.9999999,現(xiàn)已能制得14個(gè)9的單晶硅.

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

化合物半導(dǎo)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(jià)鍵為主.實(shí)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(dǎo)體:氧化物和硫化物,結(jié)構(gòu)中存在陰離子或陽(yáng)離子空位.2/2/202341超導(dǎo)材料(superconductingmaterials)

超導(dǎo)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(dǎo)電性的材料稱(chēng)超導(dǎo)材料.

荷蘭物理學(xué)家H.K.Onnes:1911年首次發(fā)現(xiàn)Hg在4.15K時(shí)出現(xiàn)0電阻.1973年得到Tc為23.2K的Nb3Ge超導(dǎo)體.20世紀(jì)80年代中期,世界超導(dǎo)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(dǎo)氧化物.我國(guó)趙中賢研究組制得了Tc=93K的Y-Ba-Cu-O混合氧化物,并測(cè)定了晶體結(jié)構(gòu).超導(dǎo)溫度已高于液氮沸點(diǎn)77K,進(jìn)入實(shí)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(dǎo)體.以C60為基礎(chǔ)的有機(jī)超導(dǎo)體研究也取得了突破性進(jìn)展.超導(dǎo)材料在能源輸送,磁懸浮列車(chē),醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景.2/2/2023424.高分子材料高分子材料學(xué)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(duì)高分子材料性能的影響;為改進(jìn)工藝,提高高分子材料的質(zhì)量,合理使用高分子材料,開(kāi)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(xué)科是一門(mén)年輕而新興的學(xué)科,它的發(fā)展要求科學(xué)和工程技術(shù)最為密切的配合,它的進(jìn)步需要跨部門(mén)、多學(xué)科的最佳協(xié)調(diào)和共同參與.2/2/202343術(shù)語(yǔ)（Nomenclatures）Macromolecule(大分子):由大量原子組成,具有高的相對(duì)分子質(zhì)量或分子重量.Polymermolecule(聚合物分子,簡(jiǎn)稱(chēng)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(fù)的分子.一個(gè)高分子總是一個(gè)大分子,但一個(gè)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).2/2/2023442/2/202345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(jì)結(jié)構(gòu)，進(jìn)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(jì)的基礎(chǔ),同時(shí)也是確定高分子加工成型工藝的依據(jù).2/2/202346聚合物結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)鏈的柔性多分散性

凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的復(fù)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)2/2/202347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(wú)一定的熔點(diǎn),隨溫度的變化,呈現(xiàn)三種物理形態(tài):當(dāng)T>Tf時(shí),聚合物呈粘流態(tài)(能流動(dòng)的粘稠液體),如常溫下的膠粘劑或涂料;

當(dāng)T<Tg時(shí),聚合物呈玻璃態(tài)(玻璃狀堅(jiān)硬固體),如常溫下的塑料;當(dāng)Tg<T<Tf時(shí),聚合物呈高彈態(tài)(受力形變,除力回復(fù)的高彈體),如常溫下的橡膠.2/2/202348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(dá)到平衡時(shí)的空間誹布．因此為了認(rèn)識(shí)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(xué)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(jià)力，或稱(chēng)鍵合力．斥力是各原子的電子之間的相互排斥力．當(dāng)吸引力和斥力達(dá)到平衡時(shí)，便形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵．共價(jià)鍵:

離子鍵:

(CH2—CH)nCOO-H+(CH2—CH)nNH+OH-聚丙烯酸聚丙烯胺2/2/202349

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(qiáng)度高.金屬鍵是由金屬原子的價(jià)電子和金屬離子晶格之間的相互作用而形成的，無(wú)方向性和飽和性，賦予高導(dǎo)電性．在所謂的“金屬螯合高聚”(metallocenepo1ymer)中可以說(shuō)存在金屬鍵．2/2/202350

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(dāng)r=r0時(shí),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(dǎo)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(wú)關(guān),與距離的7次方成反比;r2/2/202351氫鍵氫鍵是與電負(fù)性較強(qiáng)的原子相結(jié)合的氫原子(如X—H)同時(shí)與另一個(gè)電負(fù)性較強(qiáng)的原子(如Y)之間的相互作用，即(X—H…Y)．這些電負(fù)性鉸強(qiáng)的原子一般是氮、氧或鹵素原子．一般認(rèn)為在氫鍵中，X—H基本上是共價(jià)鍵，而H…Y則是一種強(qiáng)而有方向性的范德華力．這里把氫鍵歸入范德華力是因?yàn)闅滏I本質(zhì)上是帶有部分負(fù)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(zhǎng):0.24~0.32nm.

氫鍵可以存在于分子內(nèi)和分子問(wèn)，在聚酰胺、聚氨酯和生物大分子中起著重要的作用．2/2/202352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:2/2/202353[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(duì)苯二甲酸乙二醇酯聚酰亞胺2/2/202354聚合物分子單體必須是雙官能團(tuán)的小分子具有兩個(gè)(或多個(gè))官能的末端基團(tuán).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.2/2/202355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2/2/202356

鏈結(jié)構(gòu)單元的鍵接方式頭-頭尾-尾頭-尾

通過(guò)裂解方法檢測(cè)鏈結(jié)構(gòu)單元鍵接方式.2/2/202357

交聯(lián)和枝化HDPELDPELLDPE

高分于鏈之間通過(guò)化學(xué)鍵鍵接而形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，稱(chēng)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(diǎn)，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(duì)線形和支化聚乙烯具有更高的抗張強(qiáng)度和耐熱性．橡膠只有經(jīng)過(guò)硫化才能形成真正的彈性體—橡皮．2/2/202358ImportantPropertiesofPolymers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(jī)械強(qiáng)度(mechanicalstrength)隨結(jié)構(gòu)不同而變化化學(xué)穩(wěn)定性好,不腐蝕,但可氧化燃燒,空氣中易老化.2/2/202359高分子材料的制備聚合物直接應(yīng)用于精細(xì)高分子領(lǐng)域（如涂料、黏合劑、油墨、各種助劑等）原料準(zhǔn)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?；驂簤K、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2/2/202360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(guò)程.由一種單體的聚合稱(chēng)均聚.產(chǎn)物稱(chēng)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(chēng)共聚.產(chǎn)物稱(chēng)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(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間不增加Mr,但可提高單體轉(zhuǎn)化率.2/2/202361高分子合成反應(yīng)

縮聚反應(yīng):低分子單體通過(guò)縮合反應(yīng)形成聚合物的過(guò)程,產(chǎn)物稱(chēng)縮聚物,同時(shí)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)4COOHHO[C(CH2)4-C-NH-[(CH2)6-NH]nH+(n-1)H2OOO單體必須有兩個(gè)或兩個(gè)以上官能團(tuán);逐步完成,可逆反應(yīng);延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間不提高單體轉(zhuǎn)化率,但可提高M(jìn)r.2/2/202362

合成樹(shù)脂和塑料:填充增強(qiáng)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(jià)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(jī)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2/2/202363

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(fù)到原始狀態(tài).工業(yè)上用做彈性,密封,防震和傳動(dòng)材料.韌性好,強(qiáng)度低.填充增強(qiáng)非常重要.天然橡膠:橡膠樹(shù)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(chēng)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.2/2/202364

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

天然粘結(jié)劑:淀粉,蟲(chóng)膠,松香等.

合成粘結(jié)劑:合成樹(shù)脂.粘度適當(dāng),流動(dòng)性好;能重復(fù)潤(rùn)濕被粘結(jié)物的表面,填補(bǔ)其凹凸不平處;通過(guò)物理-化學(xué)作用,經(jīng)固化處理,將被粘物粘結(jié)起來(lái),具有較強(qiáng)的附著力和內(nèi)聚力.分子鏈中具有極性基團(tuán)-OH,-NH2,-CN,-COOH,

等的聚合物一般具有較強(qiáng)的粘結(jié)力.性能優(yōu)良的有聚氰基丙烯酸酯環(huán)氧樹(shù)脂(萬(wàn)能膠).三種類(lèi)型:反應(yīng)固化型溶液-乳液型熱熔膠OCH2CH22/2/202365導(dǎo)電高分子材料ElectricallyConductivePolymerMaterials有機(jī)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(dǎo)材料PhotoconductivePolymers

功能高分子材料2/2/202366高分子太陽(yáng)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(xué)材料PolymericNonlinearOpticalMaterials2/2/202367高分子光導(dǎo)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LiquidCrystallinePolymers2/2/202368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

BiodegradablePolymericMaterials2/2/202369生物醫(yī)學(xué)高分子材料BiomedicalPolymers離子交換樹(shù)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PolymericSealingMaterials2/2/202370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PottingPolymerMaterials2/2/202371聚合物改性

高分子材料改性是指通過(guò)各種方法改進(jìn)已有材料的結(jié)構(gòu)、組成,以達(dá)到改善性能,擴(kuò)大品種和應(yīng)用范圍的目的.通常包括化學(xué)改性和物理改性?xún)深?lèi)方法.

化學(xué)改性:借助于化學(xué)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(xué)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(jī)械強(qiáng)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(guò)共聚生成共聚物,實(shí)現(xiàn)在性能上取長(zhǎng)補(bǔ)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(tuán),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(shù)脂.馬來(lái)酸酐接枝PP或PE等.2/2/202372聚合物改性

物理改性:通過(guò)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(guò)一定加工途徑,向聚合物樹(shù)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(qiáng)度,降低成本.共混改性:不同聚合物混合,形成“合金”,揚(yáng)長(zhǎng)避短,增強(qiáng)增韌,提高性能,降低成本.橡-塑共混可使橡膠增強(qiáng),成本大幅度降低.塑-橡共混可使塑料增韌.復(fù)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(qiáng)聚合物:玻璃鋼,聚合物/無(wú)機(jī)物復(fù)合材料等.2/2/2023735.復(fù)合材料金屬材料易腐蝕;高分子材料易老化,不耐高溫;無(wú)機(jī)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(fù)合材料.復(fù)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(qiáng)材料組成.增強(qiáng)材料:能提高材料基本力學(xué)性能的物質(zhì).包括粒子和纖維.無(wú)機(jī)納米粒子具有更高的增強(qiáng)增韌效應(yīng);纖維具有良好的剛性和抗張強(qiáng)度.在體系中構(gòu)成復(fù)合材料的骨架,決定材料的剛性和強(qiáng)度.基體材料:使增強(qiáng)材料粘合成型,且對(duì)承受的外力起傳導(dǎo)和分散作用.21世紀(jì)是復(fù)合材料的世紀(jì).2/2/202374聚合物基復(fù)合材料主要指纖維增強(qiáng)聚合物材料.環(huán)氧樹(shù)脂包埋碳纖維復(fù)合材料.網(wǎng)球拍,高爾夫球棍和滑雪撬等.玻璃纖維增強(qiáng)聚酯復(fù)合材料—玻璃鋼.應(yīng)用極端廣泛.玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺,可大幅度提高聚酰胺的機(jī)械強(qiáng)度,耐水性,尺寸穩(wěn)定性和使用溫度.碳纖維增強(qiáng)聚酰亞胺已用于制備汽車(chē)發(fā)電機(jī).和飛機(jī)零配件.2/2/202375金屬基復(fù)合材料鋁基(碳纖維增強(qiáng))復(fù)合材料.鎳基(鎢絲增強(qiáng))復(fù)合材料.提高耐溫性能.鈦基復(fù)合材料2/2/202376陶瓷基復(fù)合材料陶瓷包埋纖維或晶須復(fù)合材料可大幅度提高材料的韌性.法國(guó)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)碳化硅:應(yīng)用于制造高速列車(chē)的制動(dòng)件.美國(guó)陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用于制造渦輪發(fā)動(dòng)機(jī).我國(guó)碳纖維增強(qiáng)石英復(fù)合材料,為我國(guó)航天事業(yè)“再返大氣層的超高溫防熱問(wèn)題”,提供了關(guān)鍵材料.2/2/2023776.納米科技與納米材料納米科學(xué)技術(shù):20世紀(jì)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(rèn)識(shí)