第九章材料化學-大學化學

第九章化學與材料9.1引言9.1.1材料的定義所謂材料是指人類利用單質或化合物的某些功能來制作物件時用的化學物質。也就是說，材料是具有某些功能的化學物質。這里所說的化學物質，既可以是單質，也可以是化合物。由材料的定義可知，材料與化學的密切關系。9.1.2材料與化學的關系材料科學一般包括四個組元：材料的組成結構，材料的合成工藝，材料的性能以及材料的應用。四者是互相聯系、密不可分的。而上述四個方面都離不開化學。材料的組成結構是研究、制備和使用材料的基礎，而化學就是研究物質的組成、結構和性能關系的科學；材料的合成更是離不開化學，就是對原有材料進行改性也同樣離不開化學（材料改性是制備新材料的重要手段），如在金屬表面擴滲稀土元素就是對材料改性的一種重要方法；材料的性能離不開其組成結構，近年來發(fā)展起來的分子工程學，就是將分子設計與分子施工結合起來，有目的、按需要地來制備新物質和新材料；材料的應用同樣離不開化學，材料的加工、合理使用，材料的保護等都與化學有密切關系。因此化學在材料科學中占有重要的地位。9.1.3材料的分類材料可按不同的方法分類。若按用途分類，可將材料分為結構材料和功能材料兩大類。若按材料的成分和特性分類，可分為金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和復合材料等。結構材料是以其所具有的強度為特征被廣泛應用的材料；功能材料，主要是以其所具有的電、光、聲、磁和熱等效應和功能為特征被應用的。9.2金屬材料一.金屬晶體結構按金屬鍵的自由電子理論，周期排列的金屬原子和離子處于自由電子的氣氛中，兩者緊密地膠合在一起，形成金屬晶體。因此，金屬鍵沒有方向性和飽和性（這是與共價鍵不同的地方），金屬原子以高配位的密堆積方式排列。金屬晶體的最基本結構類型有三種。其中兩種是屬于最緊密堆積，即六方密堆積和立方密堆積（空間利用率為74.05%）；第三種是較密堆積—體心立方堆積（空間利用率為68.02%）。具體排布方式（圖9.3，9.4，9.5，9.6）。金屬單質晶體除上述三種基本晶格外，還有其它較復雜的晶格。金屬晶格六方密堆積立方密堆積面心立方有些金屬還可以有幾種不同的晶體結構，例如純鐵在910℃以下具有體心立方晶格，叫α-Fe，當溫度超過910℃至1320℃時，則由體心立方晶格轉變?yōu)榱⒎骄Ц?，稱為γ-Fe。二．金屬鍵1.金屬鍵的自由電子理論按金屬鍵的自由電子理論，金屬元素的價電子不是固定于某個金屬原子或離子，它是共有化的，可以在整個金屬晶格的范圍內自由運動，稱為自由電子。

自由電子的運動是無序的，它們?yōu)樵S多原子或離子所共有。這些自由電子減少了晶格中帶正電荷的金屬離子間的排斥力，起到把金屬原子或離子連接在一起的作用，這種“連接”作用就稱為金屬鍵。由于自由電子可以吸收各種波長的可見光，隨即又發(fā)射出來，因而使金屬具有光澤；自由電子可以在整塊金屬內運動，所以金屬的導電性、傳熱性都很好；由于金屬鍵沒有方向性和飽和性，金屬原子以高配位的密堆積方式排列，使它在受到外力作用時各密置層間可以相對滑動，但由于自由電子的運動，使各層間仍保持著不具方向的金屬鍵的作用力，所以金屬雖然發(fā)生變形而不致破裂，使金屬有優(yōu)異的延展性。

2.能帶理論（1）能帶理論的基本內容①一塊（金屬）晶體可以看成是一個“大分子”，晶體中的電子是在這個“大分子”中的分子軌道（一般稱為公有化軌道）中運動。②晶體中的公有化軌道是由原子軌道組合而成。公有化軌道的數目等于參加組合的原子軌道數目。③電子在公有化軌道中的分布也遵循保里原理、能量最低原理（因為沒有簡并軌道，因此不提洪德規(guī)則）?，F以Li金屬晶體的2s軌道為例，當2個Li原子接近時，2個2s軌道發(fā)生重疊，組成2個分子軌道。一個是成鍵分子軌道，一個是反鍵分子軌道（2個1s軌道的重疊情況與的2s相似，9.7圖）。而如果是N個Li原子進行組合的話，則可分別形成N個對應于1s和2s的分子軌道（又稱公有化軌道，圖9.8）。對于金屬晶體來說，即使是很小的一塊晶體所含的原子數也是很大的。例如，1cm3的鋰晶體，約有4.6×1022個鋰原子，那么它們就有4.6×1022個2s原子軌道，組成同樣數目能量不同的公有化軌道。在這些公有化軌道中，能量最高的和能量最低的軌道能量差只約為6.72×10-19J，這樣每一相鄰的公有化軌道的能量差就很小了，約為1.6×10-41J。實際上這些能級的界限已經分不清了，幾乎連成一片了，從而形成了具有一定上下限的能帶。能帶的下半部分充滿電子，上半部分則空著（圖9.8）。同樣道理，N個鋰原子的N個1s以及其它原子軌道也都形成對應的能帶，其中1s能帶充滿了電子，而其它能帶則空著。每一條公有化軌道只能容納2個電子，因此如果參加組合的原子軌道上充滿電子，則其形成的能帶也是完全充滿電子的（即沒有空的公有化軌道），這種能帶叫做滿帶，例如鋰的1s能帶。如果參加組合的原子軌道未充滿電子，則其形成的能帶也是未充滿的（即有空的公有化軌道）。在這種未滿能帶中的電子，吸收微小能量遷移到帶內能量稍高的空公有化軌道，從而起到導熱、導電作用。這種未充滿電子的能帶稱為導帶，就像鋰的2s能帶。有未充滿的能帶，這是導體的特點。相鄰的能帶（如鋰的1s和2s能帶）一般還隔開一段能量間隔，這段能量間隔叫帶隙。正如原子中的電子不能在兩條原子軌道之間“停留”一樣，帶隙是電子的“禁區(qū)”，電子不能停留在這一禁區(qū)內，故又把帶隙叫做禁帶。

正如在原子形成簡單分子時，形成了分立的分子軌道一樣，當原子形成晶體時，便形成了分立的能帶。晶體中最重要的能帶是由價電子充填的導帶、與導帶毗鄰的空帶以及它們之間的禁帶。④金屬中相臨近的能帶有時可以相互重疊。例如，鎂的價電子層結構為3s2，則其對應的能帶應該是全充滿的，那么鎂好象應該是非導體。其實鎂是導體，這是為什么呢？這是由于鎂的3s和3p能帶互相重疊，3s雖然是滿的，但與它重疊的3p能帶卻是空的，仍相當有未滿的能帶。（2）能帶理論的應用①金屬某些性質的解釋。能帶是由晶體中N個原子共同作用組成的，導帶中的電子顯然不是定域在兩個原子之間，而是活動在整個晶體范圍內，處于非定域狀態(tài)。這些非定域電子相當于金屬鍵的自由電子理論中的自由電子。金屬的導電性、導熱性、延展性以及具有金屬光澤等都與其有關。i.導電性當向金屬施加外電場時，處于未滿帶中的電子，將從一個能級躍遷到另一個空的能級，運動速率和能量都要發(fā)生改變（即其運動狀態(tài)發(fā)生了改變），因此說導帶中的電子可以導電。如果能帶已經被電子占滿，在外電場作用下，由于滿帶中的電子“擠得”滿滿的，電子總的運動狀態(tài)不能發(fā)生變化，因此滿帶中的電子沒有導電作用。ii.金屬光澤因為金屬有未滿的能帶（導帶），所以處于導帶上的電子就能吸收幾乎白光中各種顏色的可見光，而躍入能量稍高的空軌道上去。而當它們返回低能態(tài)時，又把所吸收的各種頻率的可見光反射出來，所以光滑的金屬表面顯出特有的銀白色光澤。②導體、半導體和絕緣體的能帶結構。固體從它們的導電性能來分，可以分成導體、半導體和絕緣體等三類，它們都具有特有的能帶結構。導體中有未滿的能帶（也包括像金屬Mg那樣，3s、3p能帶重疊的情況），而半導體和絕緣體最高填充電子的能帶是滿帶，能量再高的能帶則是空帶。如這兩個能帶之間的禁帶寬度為5～7eV時，電子難以借熱運動等越過禁帶進入空帶，因此是絕緣體，如金剛石的禁帶寬為5.3eV。但當禁帶寬度為1eV（1.602ⅹ10-19J或96.48kJ·mol-1）左右時便屬于半導體。典型的半導體材料Si的禁帶寬度為1.12eV；Ge為0.67eV。由于半導體的禁帶寬度較小，所以當受到光照或外電場等作用時，滿帶上的電子可以躍遷到空帶（成為導帶）上，并在滿帶上留下空穴。導帶上的部分電子和原滿帶上的空穴都可以參與導電，半導體的導電性一般隨溫度升高而增大，就和它的能帶結構有關。其實我們通常所見的金屬單質（即純金屬）并不純。雖然高純金屬材料比較貴，從而限制了其廣泛使用，但由于高純金屬有許多優(yōu)異的性質，已經引起人們很大的研究興趣。

近三十年來金屬材料科學發(fā)展十分迅速，除傳統的金屬材料外，相繼出現了諸如超高純金屬、金屬玻璃（非晶態(tài)）、準晶、定向共晶合金、微晶、低維合金（傳統的材料一般都是三維塊狀材料，現在正向二維的薄膜材料，一維的纖維材料等發(fā)展）、形狀記憶合金以及納米晶體（準零維的超細顆粒材料）等一系列從結構到物理力學性質均有特色的新材料，并在電性能、磁性、強度和耐蝕性等方面都取得了很大進展，預計在21世紀將獲得廣泛地應用。9.2.2合金

一．合金的結構和類型合金的種類很多，按結構特點合金可以分為機械混合物、固熔體和金屬化合物三大類。二．合金材料隨著科學技術的發(fā)展，對材料的要求不斷提高。就合金材料而言，已由最初的銅、鐵的合金發(fā)展到多種組成、性能各異的大量新合金。下面僅以形狀記憶合金為例做簡單介紹。這是60年代初，美國海軍軍械實驗室的研究人員從一個意外的實驗現象中發(fā)現的。50％的鎳和50％的鈦的合金在溫度升到40℃以上時，能“記住”自己原來的形狀?？茖W家把這種現象稱為“形狀記憶效應”。后來人們又發(fā)現銅鋅鋁合金、銅鎳鋁合金和鐵鉑合金等也具有“形狀記憶效應”。科學家把這類合金叫做“形狀記憶合金”。那么究竟為什么記憶合金具有和一般金屬不同的特性呢？要闡明它的機理需要冶金學、金屬物理學和化學等多種學科的知識，至今還有不少問題未能完全搞清楚。從根本上說，形狀記憶合金的特性是由它的內部晶體結構所決定的。這類合金在一定的溫度范圍內具有一定的外形，而且合金內部的原子排列具有和外形相適應的可逆轉變結構。形狀記憶合金都有一定的轉變溫度，在轉變溫度以上，加工成欲記憶的形狀，合金內部原子則排列成一種穩(wěn)定的晶體結構。把它冷卻到轉變溫度以下，施加外力改變它的形狀，此時它的原子結合方式并未發(fā)生變化（即沒有化學鍵的改變），只是原子離開原來位置，在鄰近位置上暫時停留著。如果把這種形變后的記憶合金加熱到轉變溫度以上，由于原子獲得了向穩(wěn)定晶體結構轉變所需的能量，就又重新回到原來的位置，從而又恢復了以前的形狀。形狀記憶合金有著廣泛的應用，它為宇航事業(yè)做出了很大貢獻。形狀記憶合金在醫(yī)療器械方面也有廣泛應用。例如，將形狀記憶合金事先連接在彎曲的脊椎骨上，依靠人的體溫使合金伸直，就可以達到矯正脊椎骨的目的。而用形狀記憶合金來補牙，任蛀洞七彎八繞，也能鑲嵌得十分緊密等。9.3無機非金屬材料9.3.1結構陶瓷材料結構陶瓷是指發(fā)揮材料機械、熱、化學等效能的一類先進材料（作為工程材料，如同高分子材料中的工程塑料）。結構陶瓷材料有著金屬、聚合物等其它材料很難相比的優(yōu)異性能。最突出的優(yōu)點是以耐高溫、高強度、超硬度、耐磨損、抗腐蝕等機械力學性能為主要特征，因此在冶金、宇航、能源以及機械等領域都有重要應用。下面只介紹其中的三種，見下表。9.3.2功能陶瓷材料功能陶瓷材料是以電、磁、光、熱和力學性能及其相互轉換為主要特征，在電子通訊、自動控制、集成電路、計算機技術、信息處理等方面日益得到廣泛地應用。

一．壓電陶瓷材料從對稱性來考慮，壓電陶瓷沒有對稱中心。在宏觀32種點群中，有20種有壓電效應。由于沒有對稱中心，當在某個方向施加壓力時，則在特定方向引起極化，相應一對表面間出現電勢差；反之在一定方向上施加電場，則會發(fā)生特定的形變和位移。壓電材料現在廣泛地用做聲表面波器件，用于電視（濾波器）、雷達等。二．敏感陶瓷材料電性能隨熱、濕、氣、光等外界條件的變化而產生敏感效應的陶瓷統稱敏感陶瓷。敏感陶瓷是由離子鍵的金屬氧化物多晶體構成的一種導電材料。通過不同的摻雜和加工工藝可以得到對周圍環(huán)境起敏感效應的各種敏感材料。

1.熱敏陶瓷。利用陶瓷的電阻值對溫度的敏感特性制成的一類陶瓷元件稱溫度敏感陶瓷，它是一種溫度傳感器。根據陶瓷的阻溫特性可以制成測溫儀、控溫儀等。電飯鍋的溫控，某些軍事裝備中需要在特定溫度下工作的元器件的正常工作，都需要這種陶瓷制成的熱敏元件。

2.濕敏陶瓷和氣敏陶瓷。濕敏陶瓷是在外界濕度改變時，陶瓷表面通過吸附水分子后改變了表面導電性和電容性，從而指示周圍環(huán)境的濕度。氣敏陶瓷是一種對氣體敏感的陶瓷，它的靈敏度高，可以檢測氧化性氣體、還原性氣體和和可燃性氣體。不僅半導體陶瓷可以作為氣敏陶瓷，而且離子導電陶瓷也可以作為氣敏陶瓷使用。傳統的陶瓷是良好的絕緣體，這幾乎是人所共知的。但是陶瓷也有電子導電體、離子導電體、半導體導電體以及其它導電材料等。首先簡單介紹電子導電體。在氧化物陶瓷中，離子的外層電子通常是受到原子核的較大吸引力，束縛在各自的離子上，即使加上不高的外電場，這些價電子也不能自由運動而成為所謂的自由電子。所以氧化物陶瓷通常是不導電的絕緣體，或者說是電介質。但是，如果把某些氧化物加熱，或者用其它方法激發(fā)，使外層電子獲得足夠的能量，足以克服原子核對它的吸引力，擺脫原子核對它的控制，而成為自由電子，于是氧化物陶瓷就成為電子導體或半導體。氧化鋯陶瓷、氧化釷陶瓷以及由復合氧化物組成的鉻酸鑭陶瓷都是新型高溫電子導電材料，可作為高溫設備的電熱材料。它們與金屬電熱體相比，最大的優(yōu)點是更耐高溫和有良好的抗氧化能力。金屬電熱材料中最常見的是鎳鉻絲，在空氣中的最高使用溫度是1100℃；用昂貴的鉑絲、銠絲，在空氣中的最高使用溫度也只有1600℃；采用難熔金屬鉭、鉬、鎢等做電熱體，使用溫度可達2000℃，但必須以氫、氮、氬等氣體保護或在真空下工作，否則它們就很快被氧化而失去使用價值?，F在常用的兩種陶瓷導電材料：碳化硅和二硅化鉬，它們的使用溫度也比不上氧化鋯、氧化釷、鉻酸鑭陶瓷。碳化硅的最高使用溫度為1450℃；二氧化鉬的最高使用溫度為1650℃，但它的機械強度不高，質地很脆。穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷的最高使用溫度為2000℃，它在高溫下的導電性能很好，基本上為電子導體。但是，在低溫特別是在室溫情況下導電性能還不理想，作為電熱材料就得在高溫設備中用其它熱源進行預熱；另外，氧化鋯的負電阻溫度系數較大，即溫度升高時電阻大大降低，使得通過的電流大大增大，這就給操作控制帶來不少困難。因此氧化鋯作為電熱材料的廣泛應用還得進行一些研究工作。在固體離子型晶體中，帶電離子倍受限制，但仍能以擴散形式發(fā)生移動，從而產生離子導電。在外電場的作用下，離子沿電場方向運動的概率增大，產生離子電流。穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷在高溫時不僅產生電子導電，也會因氧離子的運動而產生離子導電。因此，凡是在高溫下需要測量或控制氧氣含量的地方，都可以采用氧化鋯陶瓷氧氣敏感元件。

三．高溫超導陶瓷早在60年代末，就曾發(fā)現具有鈣鈦礦結構的（Ba1-xPbxTiO2）陶瓷是超導體。但TC（臨界溫度）很低，沒有實用價值。1987年由美國豪斯頓大學首先制得的Y-Ba-Cu-O體系的陶瓷，TC為90K，用液氮冷凍即可實現超導（氮的沸點為77K），這一突破性進展使超導材料進入實用研究階段。以后又發(fā)現了Bi-Sr-Ca-Cu-O、Tl-Ba-Ca-Cu-O等一系列具有高溫超導性能的新材料，高溫超導材料的廣泛應用前景受到全世界的矚目。超導陶瓷四．羥基磷灰石生物陶瓷材料生物陶瓷是先進結構陶瓷的一個重要分支，目前主要用于人體硬組織的修復，使其功能得以恢復。生物陶瓷羥基磷灰石植入人體內與其它材料相比有顯著的優(yōu)點，它與骨組織的化學組成比較接近，生物相容性好，羥基磷灰石的降解并伴隨著新骨的長入，骨與材料直接結合并融為一體。因此，生物陶瓷材料越來越受到人們的重視。9.4有機分子材料由一千個以上原子通過共價鍵結合形成，相對分子質量可達幾萬到幾百萬，這類分子稱為高分子（或稱聚合物）。聚合物有三類：有機聚合物，無機聚合物(如石棉)和金屬配位聚合物（在聚合物的骨架中有金屬配位鍵）。聚合物9.4.1有機高分子化合物的組成有機高分子化合物（有機聚合物）也稱高聚物，它是由許許多多有機小分子聚合而成的。雖然有機高分子化合物的分子質量非常大，但是其基本化學結構并不復雜，一般都是由一個或若干個簡單的結構單元重復連接而成。這些重復的結構單元稱為鏈節(jié)，有機高分子化合物分子中所含的鏈節(jié)數稱為聚合度。例如聚氯乙烯的結構式：

此結構式也可簡寫成，其中為鏈節(jié)，n表示聚合度。顯然，有機高分子化合物分子的聚合度可以用來衡量其分子的大小。不過，同一種有機高分子化合物的分子所含有的鏈節(jié)數并不完全相同，因此它們的相對分子質量也有差異。事實上，有機高分子化合物沒有確定的分子質量和確定的聚合度。它是由許多鏈節(jié)結構相同而聚合度不同的大分子化合物混合而成，其分子質量和聚合度指的是平均分子質量和平均聚合度。各種有機高分子化合物是由不同的結構單元所組成，能夠產生這些結構單元的原低分子化合物稱為單體。9.4.2有機高分子化合物的合成有機高分子化合物是由低分子有機物（單體）相互連接在一起而形成的，這個形成的過程就稱為聚合反應。1．加聚反應具有不飽和鍵（含有雙、三鍵）的單體經加成反應形成有機高分子化合物，這類反應稱為加聚反應。其產物稱為共聚物。例如，聚氯乙烯是由一種單體氯乙烯聚合而成，屬均聚物；丁苯橡膠是由丁二烯、苯乙烯兩種單體聚合而成，屬共聚物。

2．縮聚反應縮聚反應的單體在聚合過程中，同時縮減一部分低分子化合物。由縮聚反應得到的聚合物稱為縮聚物。如尼龍-66的合成：尼龍分子結構在縮聚反應中，由于有一部分低分子縮減掉了，因而縮聚物的鏈節(jié)與單體有所不同。例如當己二酸與已二胺進行縮聚反應時，己二酸分子上的羧基與己二胺分子上的氨基相互在各自分子兩端發(fā)生縮合，生成聚酰胺-66（尼龍-66），聚酰胺-66的每個鏈節(jié)都是由己二酸與己二胺分子間脫水縮合而成。9.4.3有機高分子化合物的結構和性能

有機高分子化合物幾乎無揮發(fā)性，常溫下常以固態(tài)或液態(tài)存在。固態(tài)高聚物按其結構形態(tài)可分為晶態(tài)和非晶態(tài)。前者分子排列規(guī)則有序；而后者分子排列無規(guī)則。同一種有機高分子化合物可以兼具晶態(tài)和非晶態(tài)兩種結構。大多數的合成樹脂都是非晶態(tài)構。組成有機高分子鏈的原子之間是以共價鍵相結合的，按照分子的幾何形狀，有機聚合物可分為鏈形和體形兩種(圖9.10)。不同高聚物性能間的差別，與其分子結構、分子間作用力、分子鏈的柔順性、聚合度和分子的極性等因素有關。1．有機高分子鏈的結構和柔順性鏈形（包括帶支鏈的）高聚物的長鏈分子通常呈卷曲狀，且相互纏繞，分子鏈間有較大的分子間作用力，顯示一定的柔順性和彈性。可溶解于合適的溶劑。它們在加熱時會變軟，冷卻時又變硬，可反復加工成型，被稱為熱塑性高聚物。聚氯乙烯、未硫化的天然橡膠、高壓聚乙烯等都是鏈形有機高分子化合物。體型高聚物是鏈型（含帶支鏈的）有機高分子化合物分子間以化學鍵交聯而形成的具有空間網狀結構的有機高分子化合物。一般彈性和可塑性較小，而硬度和脆性較大。一次加工成型后不再能熔化，故又稱為熱固性高聚物。它具有耐熱、耐溶劑、和尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點。如酚醛樹脂、硫化橡膠以及離子交換樹脂等都是體型高聚物。2．有機高分子化合物的物理形態(tài)非晶態(tài)鏈狀高聚物無確定的熔點，在不同的溫度范圍內可呈現三種不同的物理形態(tài)，即玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)（圖9.11）。為什么強調非晶態(tài)鏈狀高聚物？呈高彈態(tài)的高聚物當溫度降低到一定程度時，可轉變成如同玻璃體狀的固體，稱為玻璃態(tài)（如常溫下的塑料即處于玻璃態(tài)），該轉化溫度叫玻璃化溫度，用Tg表示。而當溫度升高時，高聚物可由高彈態(tài)轉變成能流動的黏液，稱為粘流態(tài)。從高彈態(tài)轉變?yōu)檎沉鲬B(tài)的溫度叫粘流化溫度，用Tf表示。一些非晶態(tài)高聚物的Tg和Tf值見表9.1。對于非晶態(tài)高聚物，Tg的高低決定了它在室溫下所處的狀態(tài)。Tg高于室溫的高聚物常稱為塑料。Tg低于室溫的高聚物常稱為橡膠。

用做塑料的高聚物Tg要高；而用做橡膠，Tg與Tf之間的差值則決定著橡膠類物質的使用溫度范圍。

工程塑料種類繁多，但廣泛應用的有：聚酰胺

聚甲醛聚碳酸酯和聚砜等。聚酰胺塑料作為結構材料廣泛應用于工業(yè)和農業(yè)生產各部門。由于它的沖擊韌性、耐磨性、自潤滑性以及無音性較好，因此用于制造軸承、齒輪和滾珠軸承等；由于它的耐油性能好，可用來生產輸油管、高壓油管及儲油容器等。聚酰胺纖維（也叫錦綸）具有撕裂強度高、抗沖擊性能優(yōu)異以及耐疲勞等優(yōu)點，加上與橡膠的粘附力好，因此可用于制造輪胎簾子線。聚甲醛是具有優(yōu)良綜合性能的通用工程塑料。它的機械強度大、剛性高、尺寸穩(wěn)定型好、且原料甲醛來源豐富，價格便宜，生產工藝、設備都較簡單，是一種很有發(fā)展前途的塑料。聚碳酸酯的沖擊強度特別突出，并有很高的抗張、抗彎以及抗壓強度，同時在很寬的溫度范圍內和潮濕的條件下仍具有優(yōu)異的電性能，因此被廣泛用來制作機械零件和齒輪、汽車外殼及電容器和其它高級絕緣材料等。聚酰胺長絲聚砜分子鏈中由于含有相當數量的苯環(huán)，因而降低了分子的柔順性，增加了鏈的剛性和熱穩(wěn)定性，可在150℃下長期使用。在較高的溫度下聚砜材料仍能保持在常溫下所具有的各種機械性能和硬度，這是一般工程塑料比不上的。（表9.2）給出了一些工程塑料的性能。2．功能高分子制備功能高分子材料的方法主要有兩種。一是先合成含有功能團的單體，然后通過聚合反應得到；二是通過高分子反應，在原有的高分子鏈上引入功能團得到。下面對幾種有重要用途或有廣泛應用前景的功能高分子做簡單介紹。高分子人造血管（1）導電高分子。高分子材料一般都是絕緣體例如聚乙烯或聚苯乙烯，分子鏈通過б鍵連接，電子不能移動，成為絕緣體。聚乙炔類高分子，π鍵共軛體系延伸到整個高分子鏈上，使π電子的自由行程變長，因而顯現出導電性。從實用性來看，最主要的導電高分子材料有兩種：①具有共軛碳鏈的高分子；②主鏈含有雜原子的共軛高分子。聚乙炔聚苯聚苯胺聚吡咯導電高分子材料與金屬相比重量輕，具有高分子所特有的可撓曲性、成膜性、透明性以及粘著性。正在研究的主要應用是制作塑料電池、太陽能電池和透明電極等。聚乙炔用于塑料電池的優(yōu)點是重量輕、工作電壓高、輸出功率大，其目標是替代笨重的鉛酸電池。但聚乙炔的缺點是穩(wěn)定性不好，加工性能較差。聚苯胺、聚噻吩的穩(wěn)定性比聚乙炔好，已引起重視。（2）聚合物光纖。光導纖維，簡稱光纖，是能傳遞圖象的纖維。光纖由透明的芯材及折射率稍低的覆蓋外層組成，利用芯材與外層材料折射率的差別，光線能在芯部沿兩層材料的界面以反復全反射的形式被傳送。因芯材的種類不同，光纖可分為石英光纖、玻璃光纖以及聚合物光線等三類。三類光纖中，前兩類傳輸損失小，石英和玻璃光纖分別為0.2dB·km和20dB·km-1，而聚合物光纖的損失大于100dB·km。石英光纖在長距離通訊方面已實用化，玻璃光纖在醫(yī)療方面已用于胃鏡等方面。但無機光纖的缺點是不僅價格高，而且易斷線、加工性能差，在通用領域進展不大。聚合物光纖光傳輸損失雖大，不利于遠距離光通訊，但價格便宜、輕便、可撓曲性大，耐沖擊強度高，加工性能好，因此在短距離通訊、光傳感器等方面已實用化。從發(fā)展來看，為建立高速信息網絡中心，各種通訊手段如電話、電傳、電視等都可以進入網絡，需進行頻繁連接，聚合物光纖的優(yōu)點將顯現得更加突出。因此近年來，對聚合物光纖的開發(fā)研究已引起更大地關注。聚合物光纖一般是由兩種不同折射率的聚合物制成的芯-鞘形復合絲。芯部為直徑幾十微米至幾毫米的透明聚合物，鞘部為厚度十幾到幾十微米的聚合物，芯部較鞘部折射率高0.1左右。已達到實用化的聚合物光纖芯材主要采用聚甲基丙烯酸甲酯，鞘部材料主要采用氟塑料。光纖通訊領域里，最透明的芯材是聚合物光纖研究開發(fā)的基礎。用高純度的甲基丙烯酸甲酯單體得到的聚合物，傳遞損失降至100～200dB·km，達到了實用化。要用氘原子取代聚甲基丙烯酸甲酯酯基上的氫原子，傳遞損失可降至20dB·km，但存在價格昂貴等問題。（3）高吸水性高分子材料①高吸水性高分子材料的的功能與性質。所謂高吸水性高分子材料是指具有與水接觸后能迅速吸收高于自身質量若干倍的高分子材料。我們這里所要介紹的高吸水性高分子材料是指其吸水能力超過自身質量數百倍的吸附樹脂，它屬于功能高分子范疇。目前已經有淀粉衍生物系列、纖維素衍生物系列、聚丙烯酸和聚乙烯醇系列。高吸水性高分子材料結構上具有以下特點：i．分子中具有強吸水基團，如羥基、羧基等，聚合物分子能夠與水分子形成氫鍵或其他化學鍵，因此對水等強極性物質有一定表面吸附能力；ii．聚合物為交聯型高分子，在溶劑中中一般不溶，吸水后能迅速溶脹，體積增大許多倍，由于水被包裹在呈凝膠狀的分子網絡內部，不易流失和揮發(fā)；iii．聚合物應該具有較高的相對分子質量，分子質量增加，溶解度下降，吸水后的機械強度也增加，同時吸水能力也可以提高。②高吸水樹脂的作用機理與應用。高吸水樹脂中的強親水基團與水的吸附作用強烈，很容易被水所溶脹；而交聯構成的三維結構又阻止樹脂的溶解，因此構成含有大量水的凝膠狀物質。當受到外力或者植物吸收時，所吸附的水分可以源源不斷地脫附出來。9.5復合材料復合材料中一類組分為基體，起粘接作用；另一類為增強體，起增強作用。高分子（塑料、樹脂）、金屬、陶瓷等材料都可以作為基體，摻入增強體后就成為復合材料了。自然界的許多物質都可以看成復合材料。竹材和木材是纖維素（抗拉強度大）和木質素（把纖維粘接在一起）的復合物；動物的骨骼是由硬而脆的無機磷酸鹽和軟而韌的蛋白質骨膠復合而成的既強又韌的物質。在自然界的啟發(fā)下，人類利用復合原理在生產和生活中創(chuàng)造了許多人工復合材料。如在泥漿中摻入稻草桿，就是最原始的建筑用復合材料?，F在建筑工程中用的混凝土是水泥、砂、石子組成的復合材料。輪胎是橡膠和纖維的復合體等。按增強體的形態(tài)分類，復合材料可分為：顆粒增強復合材料、夾層增強復合材料和纖維增強復合材料（圖9.12）。目前發(fā)展較快的是纖維增強復合材料。要按基體分類，也可分為三類：樹脂基復合材