化學(xué)與新材料省公開(kāi)課一等獎(jiǎng)全國(guó)示范課微課金獎(jiǎng)?wù)n件

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5/8/202411/91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5/8/202422/91

當(dāng)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)新主要標(biāo)志

材料—人類社會(huì)發(fā)展里程碑！

新材料—當(dāng)代科學(xué)技術(shù)和社會(huì)發(fā)展基礎(chǔ)和支柱！

化學(xué)—材料科學(xué)技術(shù)理論基礎(chǔ).5/8/202433/911.材料科學(xué)與工程

(materialsscienceandengineering)研究材料合成與制備、組成與結(jié)構(gòu)、性能及使用效能各組元本身及四者之間相互依賴關(guān)系規(guī)律—材料科學(xué).研究怎樣利用這些規(guī)律性研究結(jié)果以新或更有效方式開(kāi)發(fā)并生產(chǎn)出材料,提升材料使用效能,以滿足社會(huì)需要,設(shè)汁與制造材料制備與表征所需儀器、設(shè)備—材料工程科學(xué)與工程彼此親密結(jié)合,組成個(gè)學(xué)科整體.5/8/202444/91性能(properties)使用效能(performance)合成與制備(synthesisandprocessing)組成與結(jié)構(gòu)(componentsandstructure)組成材料科學(xué)與工程四組元四面體關(guān)系5/8/202455/91合成與制備合成主要指促使原子、分子結(jié)合而組成材料化學(xué)與物理過(guò)程.既包含相關(guān)尋找新合成方法科學(xué)可題、也包含以適用數(shù)量和形態(tài)合成材料技術(shù)問(wèn)題；既包含新材料合成,也應(yīng)包含已經(jīng)有材料新合成方法(加溶膠—凝被法)及其新形態(tài)(如纖維、薄膜)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，使之含有所需性質(zhì)和使用效能.

合成與制備是提升材料質(zhì)量、降低牛產(chǎn)成本和提升經(jīng)濟(jì)效益關(guān)鍵,也是開(kāi)發(fā)新材料、新器件小心步驟.5/8/202466/91組成和結(jié)構(gòu)

組成指組成材料物質(zhì)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)與性能有主要影響微量添加物亦不能忽略.

結(jié)構(gòu)則指組成原干、分子在不一樣層次上彼此結(jié)合形式、狀態(tài)和空間分布，包含原子與電子結(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)、缺點(diǎn)結(jié)構(gòu)等；在尺度上則包含納米以下、紋米、微米、色米及更宏觀結(jié)構(gòu)層次.

材料組成與結(jié)構(gòu)是材料科學(xué)與工程基本研究?jī)?nèi)容,它們指導(dǎo)材料合成與制備,決定材料性能和使用效能.5/8/202477/91性能

性能指材料固有物理、化學(xué)特征,也是確定材料用途依據(jù).廣義地說(shuō),性能是材料在一定條件下對(duì)外部作用反應(yīng)定量表述.比如,對(duì)外力作用反應(yīng)為力學(xué)性能,對(duì)外電場(chǎng)作用反應(yīng)為電學(xué)性能,對(duì)光波作用反應(yīng)為光學(xué)性能等等.5/8/202488/91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)效能.它是材料固有性能、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程持性、使用環(huán)境和效益綜合表現(xiàn),通常以壽命、效率、可靠性、效益及成本等指標(biāo)衡量.所以,與工程設(shè)計(jì)及生產(chǎn)制造過(guò)程親密相關(guān),不但有宏觀工程問(wèn)題,還包含復(fù)雜材料科學(xué)問(wèn)題.比如,材料部件損毀過(guò)程和可靠性往往包括在特定溫度、氣氛、應(yīng)力和疲勞環(huán)境廠材料中缺點(diǎn)形成和裂紋擴(kuò)展微觀機(jī)理.

材料使用效能是材料科學(xué)與工程所追求最終目標(biāo)、而且在很大程度上代表這一學(xué)科發(fā)展水平.5/8/202499/91材料科學(xué)與工程是多學(xué)科交叉5/8/20241010/91材料選擇(materialsselection)三個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)性質(zhì)

機(jī)械性能+物理性能失效性

環(huán)境原因:氧化&腐蝕經(jīng)濟(jì)性

價(jià)格&可用性5/8/20241111/91材料性質(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5/8/20241212/91材料分類(classificationofmaterials)基本分類(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)合材料其它

(按照用途)結(jié)構(gòu)材料功效材料光電、磁熱生物材料5/8/20241313/912.金屬材料（metals&alloys)金屬材料是以金屬元素為基礎(chǔ)材料.金屬單質(zhì)普通有良好塑性,但其機(jī)械性能往往極難滿足工程技術(shù)等多方面需要,所以,金屬材料更多以合金形式使用.因?yàn)閮r(jià)電子高度離域性,決定了它們含有良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和易氧化腐蝕性能.高密度

可塑性形變,加工成各種復(fù)雜形狀.高延展性,決定了含有高沖擊和斷裂韌性.

5/8/20241414/91合金基本結(jié)構(gòu)類型(alloys)P291~297合金是由兩種或兩種以上金屬元素(或金屬與非金屬元素)組成,含有金屬特征和更優(yōu)異性能與使用效能材料.包含三種結(jié)構(gòu)類型.相互溶解而形成金屬固熔體—強(qiáng)度提升,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)與性能而改變

無(wú)化學(xué)相互作用機(jī)械混合物—性能平均、熔點(diǎn)下降.5/8/20241515/91輕質(zhì)合金(alloys)輕質(zhì)合金是由輕金屬(Al,Mg,Ti,Li等)形成合金材料.鋁合金:金屬鋁密度僅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)大幅度改進(jìn).

經(jīng)熱處理提升強(qiáng)度變形鋁合金為硬鋁合金,其制品強(qiáng)度和鋼相近,而質(zhì)量?jī)H為鋼1／4左右,但耐腐蝕性較差.如Al-Cu-Mg,Al-Cu-Mg-Zn等.用壓力加工法提升強(qiáng)度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(qiáng)高模鋁鋰合金:鋰是最輕金屬,其密度為0.534g/cm3，是鋁1/5,鋼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.5/8/20241616/91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)度提升.含有強(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)主要結(jié)構(gòu)材料.可助人上天入海.5/8/20241717/91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)到變形前原始形狀能力.這類合金存在著一對(duì)可逆轉(zhuǎn)變晶體結(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)覺(jué)Au-Cd合金有記憶形狀特征.現(xiàn)已發(fā)覺(jué)有各種合金系統(tǒng)都存在形狀記憶效應(yīng),In-Tl、Ni-Ti、Ti-Ni-Cu、Ti-Ni-Nb合金等.形狀記憶合金含有傳感和驅(qū)動(dòng)雙重功效,是一個(gè)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.5/8/20241818/91貯氫合金

(hydrogenstoragealloy)一些過(guò)渡金屬、合金和金屬間化合物,因?yàn)槠涮厥饩w結(jié)構(gòu),使氫原子輕易進(jìn)入其晶格間隙中并形成金屬氫化物,氫與這些金屬結(jié)協(xié)力很弱,但貯氫量很大,能夠貯存比其本身體積大1000~1300倍氫,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)家試驗(yàn)室首先發(fā)覺(jué)鎂-鎳合金含有吸氫特征,1969年荷蘭菲利普試驗(yàn)室發(fā)覺(jué)釤鈷（SmCo5）合金,隨即又發(fā)覺(jué)鑭-鎳（LaNi5）合金在常溫下含有良好可逆吸放氫性能,從此引發(fā)了人們極大關(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,作為一個(gè)新型貯能材料含有極為廣泛應(yīng)用前景.5/8/20241919/91耐熱合金

(heatresistantalloy)普通金屬材料長(zhǎng)久使用溫度500~600℃,能在高于700℃條件下工作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(qiáng)度和良好抗氧化性.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.包含鐵基,鎳基,鈷基,鈮基和鎢基等合金.提升鋼鐵耐熱性路徑:

設(shè)法提升金屬鍵強(qiáng)度.金屬鍵強(qiáng)度與原子中成單電子數(shù)相關(guān),所以與Cr,Mo,W等形成合金可提升耐熱性.加入可形成耐高溫化合物如碳化物金屬,形成合金.5/8/20242020/91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)堆冷卻劑.

5/8/20242121/91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:普通是貴金屬Pt,Pd,Au,Ag,Cu等.易于鈍化金屬:Al,Nb,Ta,Ti,Zr,Cr等.表面能生成難溶和保護(hù)性良好腐蝕產(chǎn)物膜金屬.經(jīng)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)侵蝕能力比普通金屬材料更高.與熱穩(wěn)定性高貴金屬形成合金.與易鈍化金屬形成合金.在合金表面形成致密保護(hù)膜.5/8/20242222/91磁性材料

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

矯頑力極大,而且以剩下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(jī)、電氣儀表等方面大量應(yīng)用；矯頑力小,外部磁場(chǎng)微小改變即可引發(fā)磁化很大改變,為磁損失小高導(dǎo)磁率材料,稱為軟磁材料,主要用于電動(dòng)機(jī)及變壓器磁芯以及各種磁頭材料、磁性密封材料和微波材料等.另外還有利用磁滯曲線非線性部分磁統(tǒng)計(jì)材料和磁存放材料以及磁致伸縮材料和磁光材料等.

5/8/20242323/91永磁合金

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

最早永磁合金是含有鐵磁性Fe,Co,Ni合金.稀土永磁合金

SmCo5Sm2Co17Nd-Fe-B

Sm2Fe17N2Pr-Fe-B-Cu

5/8/20242424/91巨磁阻效應(yīng)

(giganticreluctanceeffect)在一定磁場(chǎng)下材料電阻改變現(xiàn)象稱磁電阻.巨磁阻是指在一定磁場(chǎng)下電阻急劇減小現(xiàn)象.比普通磁性合金強(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)覺(jué)巨磁阻效應(yīng).隨即在Fe/Cu,Fe/Al,Fe/Au,Co/Cu,Co/Ag和Co/Au等納米結(jié)構(gòu)多層膜中發(fā)覺(jué)了顯著巨磁阻效應(yīng).巨磁阻效應(yīng)在高密度讀出磁頭,磁存放元件等高技術(shù)領(lǐng)域有廣泛用途.1994年IBM企業(yè)研制成功巨磁阻效應(yīng)讀出磁頭,磁統(tǒng)計(jì)密度提升17倍,達(dá)5Gbit/in2,現(xiàn)衣超出11Gbit/in2.

巨磁阻效應(yīng)還可用于制備無(wú)電源隨機(jī)存放器,微弱磁場(chǎng)探測(cè)器.5/8/20242525/91非晶態(tài)金屬(amorphousmetal)將一些金屬熔體,以極快速度急劇冷卻,如106K/s,無(wú)序原子被快速“凍結(jié)”而形成無(wú)定型固體,稱非晶態(tài)金屬,亦稱金屬玻璃.

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

金屬與非金屬形成合金:如Fe80B20,Fe40Ni40P14O6和Fe5Co70Si15B10等.制備非晶態(tài)合金技術(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;耐蝕性優(yōu)異;低損耗,高磁導(dǎo);一定催化性能和貯氫能力.5/8/20242626/913.無(wú)機(jī)非金屬材料

(inorganicnonmetalmaterials)除金屬以外無(wú)機(jī)材料統(tǒng)稱無(wú)機(jī)非金屬材料.傳統(tǒng)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,所以無(wú)機(jī)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(guó)際上常稱之為陶瓷材料.先進(jìn)無(wú)機(jī)非金屬材料,亦稱無(wú)機(jī)新材料.包含結(jié)構(gòu)陶瓷,復(fù)合材料,功效陶瓷,半導(dǎo)體,新型玻璃,非晶態(tài)材料和人工晶體等.5/8/20242727/91無(wú)機(jī)非金屬材料特點(diǎn)晶體結(jié)構(gòu):結(jié)協(xié)力主要為離子健、共價(jià)鍵或離子-共價(jià)混合鍵.賦于這類材料以高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、耐磨損、高硬度、耐腐蝕和抗氧化基本屬性,以及新近發(fā)覺(jué)寬廣導(dǎo)電、導(dǎo)熱性和透光性以及良好鐵電性、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,還包含其它含氧酸鹽、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)越主要地應(yīng).制備:高純度、高細(xì)度原料,并準(zhǔn)確控制化學(xué)組成、添加物數(shù)量和分布、晶體結(jié)構(gòu)和材料微觀結(jié)構(gòu)等.5/8/20242828/91傳統(tǒng)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-,即硅位于四面體中心,四個(gè)氧原子位于四面體四個(gè)頂點(diǎn).(SiO4)4-四面體相互結(jié)合,或與金屬離子形成:含有單個(gè)陰離子,鏈狀和層狀陰離子以及骨架狀結(jié)構(gòu)等四大類硅酸鹽.5/8/20242929/91硅氧骨架結(jié)構(gòu)島狀三方環(huán)四方環(huán)六方環(huán)5/8/20243030/91硅氧骨架結(jié)構(gòu)單鏈雙鏈5/8/20243131/91硅氧骨架結(jié)構(gòu)長(zhǎng)石架狀

石英架狀

層狀5/8/20243232/91層狀硅酸鹽礦物滑石高嶺土白云母蛇紋石5/8/20243333/91架狀硅酸鹽礦物長(zhǎng)石沸石5/8/20243434/91鏈狀、環(huán)狀硅酸鹽礦物碌簾石電氣石輝石硅灰石硅線石5/8/20243535/91水泥(cement)水泥:是一個(gè)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(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)加入少許氧化鐵粉)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“低溫水泥”,能耐1250℃“耐火水泥”,用于化工生產(chǎn)和特殊場(chǎng)所“耐酸水泥”.5/8/20243636/91玻璃（glass)廣義上說(shuō),凡熔體經(jīng)過(guò)一定方式冷卻，因粘度逐步增大而含有固體性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征非晶態(tài)物質(zhì)都稱為玻璃.

普通硅酸鹽玻璃:主要成份是SiO2,Na2O和CaO等,硬而脆.硅酸鹽玻璃中Na2O被B2O3取代,可得到硬而耐熱硅硼酸鹽玻璃,最高耐溫可達(dá)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(qiáng)度提升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)久使用.

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.5/8/20243737/91陶瓷(ceramics)

陶瓷:指以粘土為原料,調(diào)制成型,經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而制得硬而脆,耐水人工硅酸鹽材料.以粘土為原料,調(diào)制成型,低于1000℃燒結(jié)得到多孔燒結(jié)體,稱陶;以更純粘土與幾乎等量石英和長(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“瓷器”.傳統(tǒng)陶瓷材料是復(fù)雜多晶體,是晶粒、晶界、氣孔和玻璃包裹物集合體.細(xì)化晶粒,提升致密程度,減小氣孔率,增加附加能量消耗材料相,可提升陶瓷強(qiáng)度和韌性.5/8/20243838/91精細(xì)陶瓷(advancedceramics)

結(jié)構(gòu)陶瓷:指含有高硬、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.高純氧化鋁加入少許Y2O3和MgO等,特殊燒結(jié),可得透明陶瓷.少許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.加入少許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)溫度急劇改變.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(qiáng)度極高,摻雜可制得半導(dǎo)體材料,制作發(fā)燒元件.已用于制造無(wú)冷卻式陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī).5/8/20243939/91精細(xì)陶瓷(advancedceramics)

功效陶瓷:指以其固有特征或經(jīng)過(guò)各種物理原因作用而顯示某種新性能陶瓷材料.壓電陶瓷:含有壓電效應(yīng)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,晶體帶電大小與外力成正比;相反,在外加電場(chǎng)作用下,在晶體對(duì)應(yīng)面上會(huì)產(chǎn)生形變,該現(xiàn)象稱“壓電效應(yīng)”.

光導(dǎo)纖維:光通信關(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ZrO2,Na-b-Al2O3等.

傳感材料5/8/20244040/91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載流子遷移實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電材料.半導(dǎo)體材料類型:

元素半導(dǎo)體：包含Si,Ge,Sn,P,As,Se等,但實(shí)用純單質(zhì)只有Si和Ge.均使用其高純單質(zhì),如大規(guī)模集成電路使用硅純度超出99.9999999,現(xiàn)已能制得14個(gè)9單晶硅.摻雜半導(dǎo)體:適當(dāng)摻雜大幅度提升電導(dǎo)率,經(jīng)過(guò)調(diào)整雜質(zhì)含量控制電導(dǎo)率,包含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族元素組合,含有金剛石型或ZnS型晶體結(jié)構(gòu),以共價(jià)鍵為主.實(shí)用化最多是III-V型,性能最好是GaAs,亮灰,硬而脆,摻Te,得n-型,摻Zn或Cd得p-型.缺點(diǎn)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.5/8/20244141/91超導(dǎo)材料(superconductingmaterials)超導(dǎo)電性:一些材料隨溫度降低,電阻率下降,在某一特定溫度附近,電阻突然消失現(xiàn)象.含有超導(dǎo)電性材料稱超導(dǎo)材料.荷蘭物理學(xué)家H.K.Onnes:1911年首次發(fā)覺(jué)Hg在4.15K時(shí)出現(xiàn)0電阻.1973年得到Tc為23.2KNb3Ge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)覺(jué)了Tc=35KLa-Ba-Cu-O混合氧化物.1987年美籍華人朱經(jīng)武發(fā)覺(jué)了Tc=90K超導(dǎo)氧化物.我國(guó)趙中賢研究組制得了Tc=93KY-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=132KBi-Pb-Sb-Sr-Ca-Cu-O超導(dǎo)體.以C60為基礎(chǔ)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,醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域有遼闊應(yīng)用前景.5/8/20244242/914.高分子材料高分子材料學(xué)科基本任務(wù)是：研究高分子材料合成、結(jié)構(gòu)和組成與材料性質(zhì)、性能之間相互關(guān)系;探索加工工藝和各種環(huán)境原因?qū)Ω叻肿硬牧闲阅苡绊?為改進(jìn)工藝,提升高分子材料質(zhì)量,合理使用高分子材料,開(kāi)發(fā)新材料、新工藝和新應(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)年輕而新興學(xué)科,它發(fā)展要求科學(xué)和工程技術(shù)最為親密配合,它進(jìn)步需要跨部門(mén)、多學(xué)科最正確協(xié)調(diào)和共同參加.5/8/20244343/91術(shù)語(yǔ)（Nomenclatures）Macromolecule(大分子):由大量原子組成,含有高相對(duì)分子質(zhì)量或分子重量.Polymermolecule(聚合物分子,簡(jiǎn)稱高分子):由許多(poly)部分(mer,單體單元或鏈節(jié))組成多重重復(fù)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一個(gè)物質(zhì),它是一個(gè)聚合物質(zhì).5/8/20244444/915/8/20244545/91高分子材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系結(jié)構(gòu)決定性能，性能反應(yīng)結(jié)構(gòu).依據(jù)需要選擇性能，依據(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)與性能關(guān)系及其改變規(guī)律,是高分子分子設(shè)計(jì)基礎(chǔ),同時(shí)也是確定高分子加工成型工藝依據(jù).5/8/20244646/91聚合物結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)鏈柔性多分散性

凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性高分子鏈依靠分子內(nèi)和分子間范德華力相互作用培砌在一起，可展現(xiàn)為晶態(tài)和非晶態(tài)．交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)5/8/20244747/91線形非晶態(tài)聚合物物理形態(tài)線形非晶態(tài)聚合物無(wú)一定熔點(diǎn),隨溫度改變,展現(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)粘稠液體),如常溫下膠粘劑或涂料;

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)高彈體),如常溫下橡膠.5/8/20244848/91聚合物分子內(nèi)與分子間相互作用力

物質(zhì)結(jié)構(gòu)是指物質(zhì)組成單元(原于或分子)之間在相互吸引和排斥作用到達(dá)平衡時(shí)空間誹布．所以為了認(rèn)識(shí)高聚物結(jié)構(gòu)，首先應(yīng)了解存在于高聚物分子內(nèi)和分子間相互作用．

化學(xué)鍵

組成份子原子間作用力有吸引力和斥力，吸引力是原子形成份于結(jié)協(xié)力，叫作主價(jià)力，或稱鍵協(xié)力．斥力是各原子電子之間相互排斥力．當(dāng)吸引力和斥力到達(dá)平衡時(shí)，便形成穩(wěn)定化學(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5/8/20244949/91

離子型聚合物(ionomer)中也有離子鍵存在，比如以乙烯和10%左右丙烯酸共聚物為主鏈，以金屬離子Mg2+為交聯(lián)劑高聚物：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價(jià)電子和金屬離子晶格之間相互作用而形成，無(wú)方向性和飽和性，賦予高導(dǎo)電性．在所謂“金屬螯合高聚”(metallocenepo1ymer)中能夠說(shuō)存在金屬鍵．5/8/20245050/91

范德華力

作用能:2~8kJ/mol是存在于分子間或分子內(nèi)非鍵合原于間相互作用力．兩分子間范德華力F(r)及相互作用能E(r)是分子之間距離r函數(shù)如圖所表示.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,與溫度相關(guān),與距離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7次方成反比;r5/8/20245151/91氫鍵氫鍵是與電負(fù)性較強(qiáng)原子相結(jié)合氫原子(如X—H)同時(shí)與另一個(gè)電負(fù)性較強(qiáng)原子(如Y)之間相互作用，即(X—H…Y)．這些電負(fù)性鉸強(qiáng)原子普通是氮、氧或鹵素原子．普通認(rèn)為在氫鍵中，X—H基本上是共價(jià)鍵，而H…Y則是一個(gè)強(qiáng)而有方向性范德華力．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Y與電偶極矩很大極性鍵X—H間靜電吸引相互作用.

氫鍵鍵能:13~29kJ/mol.

氫鍵鍵長(zhǎng):0.24~0.32nm.氫鍵能夠存在于分子內(nèi)和分子問(wèn)，在聚酰胺、聚氨酯和生物大分子中起著主要作用．5/8/20245252/91高分子鏈近程結(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:5/8/20245353/91[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5/8/20245454/91聚合物分子單體必須是雙官能團(tuán)小分子含有兩個(gè)(或多個(gè))官能末端基團(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.含有重鍵單體: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.5/8/20245555/91基于結(jié)構(gòu)高分子均鏈高分子(homochainpolymer）

一個(gè)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5/8/20245656/91

鏈結(jié)構(gòu)單元鍵接方式頭-頭尾-尾頭-尾

經(jīng)過(guò)裂解方法檢測(cè)鏈結(jié)構(gòu)單元鍵接方式.5/8/20245757/91交聯(lián)和枝化HDPELDPELLDPE

高分于鏈之間經(jīng)過(guò)化學(xué)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)聚合物．它們含有不溶不熔特點(diǎn)，所以，可交聯(lián)高聚物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)高聚吻含有更優(yōu)越性能，比如耐熱、耐溶劑、尺寸穩(wěn)定等．交聯(lián)聚乙烯性能相對(duì)線形和支化聚乙烯含有更高抗張強(qiáng)度和耐熱性．橡膠只有經(jīng)過(guò)硫化才能形成真正彈性體—橡皮．5/8/20245858/91ImportantPropertiesofPolymers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)不一樣而改變化學(xué)穩(wěn)定性好,不腐蝕,但可氧化燃燒,空氣中易老化.5/8/20245959/91高分子材料制備聚合物直接應(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聚合物：塑料、橡膠或纖維第三層次5/8/20246060/91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)而聚合生成聚合物過(guò)程.由一個(gè)單體聚合稱均聚.產(chǎn)物稱均聚物,如乙烯聚合得聚乙烯.由兩種或各種單體加聚反應(yīng),稱共聚.產(chǎn)物稱共聚物,與均聚物相比有更高性能,如苯乙烯(S)與丁二烯(B)共聚,得嵌段共聚物SBS.加聚反應(yīng)單體必須含有不飽和碳-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,但可提升單體轉(zhuǎn)化率.5/8/20246161/91高分子合成反應(yīng)

縮聚反應(yīng):低分子單體經(jīng)過(guò)縮合反應(yīng)形成聚合物過(guò)程,產(chǎn)物稱縮聚物,同時(shí)有水,醇,氨,或鹵化氫等析出,所以縮聚物組成與單體不一樣.如聚酰胺(PA),PA66是HOOC-(CH2)4-COOH與NH2CH2(CH2)4CH2NH2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)間不提升單體轉(zhuǎn)化率,但可提升Mr.5/8/20246262/91

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)器零部件塑料.最主要有:聚甲醛聚酰胺聚碳酸酯聚四氟乙烯ABS塑料耐熱工程塑料主要高分子材料5/8/20246363/91

橡膠:使用溫度范圍內(nèi)處于高彈態(tài)線性聚合物.在較小外力作用下,能產(chǎn)生很大形變,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)非常主要.天然橡膠:橡膠樹(shù)上流出膠乳,其主要成份是異戊二烯聚合體,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:最主要有:丁苯橡膠:丁二烯與苯乙烯線性共聚物.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:異丁烯與少許異戊二烯共聚物.氟橡膠:分子鏈或側(cè)鏈上有氟線性聚合物.5/8/20246464/91

粘結(jié)劑:能將兩種固體材料連接起來(lái),含有良好粘結(jié)性能物質(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)物表面,填補(bǔ)其凹凸不平處;經(jīng)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),含有較強(qiáng)附著力和內(nèi)聚力.分子鏈中含有極性基團(tuán)-OH,-NH2,-CN,-COOH,等聚合物普通含有較強(qiáng)粘結(jié)力.性能優(yōu)良有聚氰基丙烯酸酯環(huán)氧樹(shù)脂(萬(wàn)能膠).三種類型:反應(yīng)固化型溶液-乳液型熱熔膠OCH2CH25/8/20246565/91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

功效高分子材料5/8/20246666/91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PolymericNonlinearOpticalMaterials5/8/20246767/91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LiquidCrystallinePolymers5/8/20246868/91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

BiodegradablePolymericMaterials5/8/20246969/91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PolymericSealingMaterials5/8/20247070/91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PottingPolymerMaterials5/8/20247171/91聚合物改性

高分子材料改性是指經(jīng)過(guò)各種方法改進(jìn)已經(jīng)有材料結(jié)構(gòu)、組成,以到達(dá)改進(jìn)性能,擴(kuò)大品種和應(yīng)用范圍目標(biāo).通常包含化學(xué)改性和物理改性兩類方法.

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),提升綜合性能.

交聯(lián)反應(yīng):借助化學(xué)鍵形成,使線性聚合物結(jié)合成體型聚合物.如橡膠硫化.可提升材料機(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經(jīng)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,引入其它官能團(tuán),賦予聚合物材料某種功效或提升材料綜合性能.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.5/8/20247272/91聚合物改性

物理改性:經(jīng)過(guò)加入其它組分,借助于組分間物理相互作用,改進(jìn)原有聚合物性能.填充改性:經(jīng)過(guò)一定加工路徑,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.提升聚合物強(qiáng)度,降低成本.共混改性:不一樣聚合物混合,形成“合金”,揚(yáng)長(zhǎng)避短,增強(qiáng)增韌,提升性能,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)不一樣材料合理組合制得多相材料.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.5/8/20247373/915.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)異復(fù)合材料.復(fù)合材料大多是以連續(xù)相存在基體材料和分散于基體中增強(qiáng)材料組成.增強(qiáng)材料:能提升材料基本力學(xué)性能物質(zhì).包含粒子和纖維.無(wú)機(jī)納米粒子含有更高增強(qiáng)增韌效應(yīng);纖維含有良好剛性和抗張強(qiáng)度.在體系中組成復(fù)合材料骨架,決定材料剛性和強(qiáng)度.基體材料:使增強(qiáng)材料粘合成型,且對(duì)承受外力起傳導(dǎo)和分散作用.二十一世紀(jì)是復(fù)合材料世紀(jì).5/8/20247474/91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,可大幅度提升聚酰胺機(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發(fā)電機(jī).和飛機(jī)零配件.5/8/20247575/91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.提升耐溫性能.鈦基復(fù)合材料5/8/20247676/91陶瓷基復(fù)合材料陶瓷包埋纖維或晶須復(fù)合材料可大幅度提升材料韌性.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)“再返大氣層超高溫防熱問(wèn)題”,提供了關(guān)鍵材料.5/8/20247777/916.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)展一中高新科技.是在納米尺寸范圍內(nèi)認(rèn)識(shí)和改造自然經(jīng)過(guò)直接操縱原子和分子而創(chuàng)造新物質(zhì)(包含材料、器件、性能和使用效能等)，探索在納米尺度范圍內(nèi)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)新現(xiàn)象和新規(guī)律