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1、化学与新材料,李侃社 赵世永西安科技大学 化学化工学院,2023/7/11,2,主要内容,1.化学与材料科学技术2.金属材料3.无机非金属材料4.有机高分子材料5.复合材料6.纳米材料与纳米科技,2023/7/11,3,现代高科技(modern high-tech)信息、材料、能源、生物技术：社会文明支柱，科技创新的重要标志 材料人类社会发展的里程碑！新材料现代科学技术和社会发展的基础和支柱！化学材料科学技术的理论基础.,2023/7/11,4,1.材料科学与工程(materials science and engineering),研究材料的合成与制备、组成与结构、性能及使用效能各组元本身及
2、四者之间的相互依赖关系的规律材料科学.研究如何利用这些规律性的研究成果以新的或更有效的方式开发并生产出材料,提高材料的使用效能,以满足社会的需要,设汁与制造材料制备与表征所需的仪器、设备材料工程科学与工程彼此密切结合,构成个学科整体.,2023/7/11,5,构成材料科学与工程的四组元四面体关系,2023/7/11,6,合成与制备,合成主要指促使原子、分子结合而构成材料的化学与物理过程.既包括有关寻找新合成方法的科学可题、也包括以适用的数量和形态合成材料的技术问题；既包括新材料的合成,也应包括已有材料的新合成方法(加溶胶凝被法)及其新形态(如纤维、薄膜)的合成.制备主要指材料在宏观迟到上加工、
3、处理、装配和制造等一系列过程，使之具有所需的性质和使用效能.合成与制备是提高材料质量、降低牛产成本和提高经济效益的关键,也是开发新材料、新器件的小心环节.,2023/7/11,7,组成和结构,组成指构成材料物质的原子、分子及其分布;除主要组成以外,杂质及对材料结构与性能有重要影响的微量添加物亦不能忽略.结构则指组成原干、分子在不同层次上彼此结合的形式、状态和空间分布，包括原子与电子结构、分子结构、晶体结构、相结构、晶粒结构、表面与品界结构、缺陷结构等；在尺度上则包括纳米以下、纹米、微米、色米及更宏观的结构层次.材料的组成与结构是材料科学与工程的基本研究内容,它们指导材料的合成与制备,决定材料的
4、性能和使用效能.,2023/7/11,8,性能,性能指材料固有的物理、化学特性,也是确定材料用途的依据.广义地说,性能是材料在一定的条件下对外部作用的反应的定量表述.例如,对外力作用的反应为力学性能,对外电场作用的反应为电学性能,对光波作用的反应为光学性能等等.,2023/7/11,9,使用效能,使用效能是材料以持定产品形式在使用条件下所表现的效能.它是材料的固有性能、产品设计、工程持性、使用环境和效益的综合表现,通常以寿命、效率、可靠性、效益及成本等指标衡量.因此,与工程设计及生产制造过程密切相关,不仅有宏观的工程问题,还包括复杂的材料科学问题.例如,材料部件的损毁过程和可靠性往往涉及在特定
5、的温度、气氛、应力和疲劳环境厂材料中的缺陷形成和裂纹扩展的微观机理.材料的使用效能是材料科学与工程所追求的最终目标、而且在很大程度上代表这一学科的发展水平.,2023/7/11,10,材料科学与工程是多学科交叉,2023/7/11,11,材料的选择(materials selection),三个重要标准性质机械性能+物理性能失效性环境因素:氧化&腐蚀经济性价格&可用性,2023/7/11,12,材料的性质(properties of materials),机械性质(应力应变)强度延展性断裂韧性抗冲击强度蠕变性疲劳性磨损,物理性质热性能磁性能光学性能失效性能,2023/7/11,13,材料的分类
6、(classification of materials),基本分类(按照组成)金属材料无机非金属材料有机高分子材料复合材料,其他(按照用途)结构材料功能材料光电、磁热生物材料,2023/7/11,14,2.金属材料（metals&alloys),金属材料是以金属元素为基础的材料.金属单质一般有良好的塑性,但其机械性能往往很难满足工程技术等多方面的需要,因此,金属材料更多以合金的形式使用.由于价电子的高度离域性,决定了它们具有良好的导电、导热性能和易氧化腐蚀的性能.高密度可塑性形变,加工成各种复杂形状.高延展性,决定了具有高冲击和断裂韧性.,2023/7/11,15,合金的基本结构类型(all
7、oys)P291297,合金是由两种或两种以上的金属元素(或金属与非金属元素)组成,具有金属特征和更优异性能与使用效能的材料.包括三种结构类型.相互溶解而形成金属固熔体强度提高,延展性和导电导热性能下降.相互起化学作用而形成化合物性能随化合物组成、结构与性能而变化无化学相互作用的机械混合物性能平均、熔点下降.,2023/7/11,16,轻质合金(alloys),轻质合金是由轻金属(Al,Mg,Ti,Li等)形成的合金材料.铝合金:金属铝的密度仅2.7g/cm3,导电导热,但强度、硬度和耐磨性能差,若与Mg、Cu、Zn、Mn、Si等形成合金,机械性能会大幅度改善.经热处理提高强度的变形铝合金为硬
8、铝合金,其制品的强度和钢相近,而质量仅为钢的14左右,但耐腐蚀性较差.如Al-Cu-Mg,Al-Cu-Mg-Zn等.用压力加工法提高强度的变形铝合金称为防锈铝合金,可耐海水腐蚀,可用于造船工业等.如Al-Mn,Al-Mg等高强高模铝锂合金:锂是最轻金属,其密度为0.534g/cm3，是铝的1/5,钢的1/15.飞机上改用铝锂合金后,重量可减轻816.如 B737可减重 2178kg,B747SP可减重4200kg.,2023/7/11,17,轻质合金(light alloys),钛合金 钛与Al,V,Cr,Mo,Mn和Fe可形成置换固熔体或金属间化合物而使其强度提高.具有强度高,密度小,抗磁性
9、,耐高温,抗腐蚀等优点,是宇航工业的重要结构材料.可助人上天入海.,2023/7/11,18,形状记忆合金(shape memory alloy),所谓形状记忆效应是指合金材料在一定条件下,变形后仍能恢复到变形前原始形状的能力.这类合金存在着一对可逆转变的晶体结构,在某一转变温度发生相转变.1951年美国人在一次试验中首先发现Au-Cd合金有记忆形状的特性.现已发现有多种合金系统都存在形状记忆效应,In-Tl、Ni-Ti、Ti-Ni-Cu、Ti-Ni-Nb合金等.形状记忆合金具有传感和驱动双重功能,是一种智能材料,可广泛应用于宇航,自控,医疗和生活等领域.,2023/7/11,19,贮氢合金(
10、hydrogen storage alloy),某些过渡金属、合金和金属间化合物,由于其特殊的晶体结构,使氢原子容易进入其晶格的间隙中并形成金属氢化物,氢与这些金属的结合力很弱,但贮氢量很大,可以贮存比其本身体积大1000 1300倍的氢,加热时氢又能从金属中释放出来.1968年美国布鲁海文国家实验室首先发现镁-镍合金具有吸氢特性,1969年荷兰菲利普实验室发现钐钴（SmCo5）合金,随后又发现镧-镍（LaNi5）合金在常温下具有良好的可逆吸放氢性能,从此引起了人们极大的关注.已经成功开发了镁系,稀土系,钛系,锗系贮氢合金,正向多元化发展.贮氢合金贮运氢气,既轻便又安全,作为一种新型贮能材料具
11、有极为广泛的应用前景.,2023/7/11,20,耐热合金(heat resistant alloy),一般金属材料的长期使用温度500600,能在高于700 条件下工作的金属合金称为耐热合金.“耐热”是指材料在高温下能保持足够强度和良好的抗氧化性.耐热合金通常是由第BB和族高熔点金属形成的合金.广泛应用于制造涡轮发电机,各种燃气轮机热端部件等.包括铁基,镍基,钴基,铌基和钨基等合金.提高钢铁耐热性的途径:设法提高金属键的强度.金属键的强度与原子中成单电子数有关,所以与Cr,Mo,W等形成合金可提高耐热性.加入可形成耐高温化合物如碳化物的金属,形成合金.,2023/7/11,21,低熔点合金(
12、low melting alloy),低熔点合金是指由低熔点金属Hg,Sn,Pb和Bi形成的合金.Wood合金:组成为:质量分数50%Bi-25%Pb-13%Sn-12%Cd,熔点仅71,应用于自动灭火设备,锅炉安全装置以及信号仪表等.焊锡:组成为质量分数37%Pb-63%Sn,熔点183.液体合金:组成质量分数77.2%K-22.8%Na,熔点-12.3,应用于原子能反应堆的冷却剂.,2023/7/11,22,耐腐蚀合金(corrosion-resistant alloy),耐腐蚀金属:通常具备下述条件之一热力学稳定性高:一般是贵金属Pt,Pd,Au,Ag,Cu等.易于钝化的金属:Al,Nb
13、,Ta,Ti,Zr,Cr等.表面能生成难溶的和保护性良好的腐蚀产物膜的金属.通过特定腐蚀介质来实现.耐腐蚀合金:抵抗介质侵蚀能力比一般金属材料更高.与热稳定性高的贵金属形成合金.与易钝化金属形成合金.在合金表面形成致密保护膜.,2023/7/11,23,磁性材料(magnetic materials),磁性体是由电磁作用而产生磁化的物质.凡是能磁化到较大磁化强度并在实际中可利用其磁性的强磁性体称为磁性材料.磁性材料主要有两大类 矫顽力极大,并且以剩余磁通密度很高为特征,称为硬磁材料或永磁材料,在发电机、电气仪表等方面大量应用；矫顽力小,外部磁场的微小变化即可引起磁化的很大变化,为磁损失小的高导
14、磁率材料,称为软磁材料,主要用于电动机及变压器的磁芯以及各种磁头材料、磁性密封材料和微波材料等.此外还有利用磁滞曲线非线性部分的磁记录材料和磁存储材料以及磁致伸缩材料和磁光材料等.,2023/7/11,24,永磁合金(permanent magnet alloy),矫顽力极大,并且以剩余磁通密度很高为特征,称为硬磁材料或永磁材料.最早的永磁合金是具有铁磁性的Fe,Co,Ni的合金.稀土永磁合金 SmCo5 Sm2Co17 Nd-Fe-B Sm2Fe17N2 Pr-Fe-B-Cu,2023/7/11,25,巨磁阻效应(gigantic reluctance effect),在一定磁场下材料电阻改
15、变的现象称磁电阻.巨磁阻是指在一定磁场下电阻急剧减小的现象.比一般磁性合金强10多倍.1988年巴黎大学肯特教授首次在Fe/Cr多层膜中发现巨磁阻效应.随后在Fe/Cu,Fe/Al,Fe/Au,Co/Cu,Co/Ag和Co/Au等纳米结构的多层膜中发现了显著的巨磁阻效应.巨磁阻效应在高密度读出磁头,磁存储元件等高技术领域有广泛用途.1994年IBM公司研制成功巨磁阻效应的读出磁头,磁记录密度提高17倍,达5Gbit/in2,现衣超过11 Gbit/in2.巨磁阻效应还可用于制备无电源随机存储器,微弱磁场探测器.,2023/7/11,26,非晶态金属(amorphous metal),将某些金属
16、熔体,以极快的速度急剧冷却,如106K/s,无序的原子被迅速“冻结”而形成无定型的固体,称非晶态金属,亦称金属玻璃.能形成非晶态的合金有两类:金属之间的合金:如Cu60Zr40,La76Au24,U70Cr30等.金属与非金属形成的合金:如Fe80B20,Fe40Ni40P14O6和 Fe5Co70Si15B10等.制备非晶态合金的技术:气相沉积法,激光表层熔化法,离子注入法,化学沉积法和电沉积法等.性能特点:强度韧性兼具;耐蚀性优异;低损耗,高磁导;一定的催化性能和贮氢能力.,2023/7/11,27,3.无机非金属材料(inorganic nonmetal materials),除金属以外
17、的无机材料统称无机非金属材料.传统的无机非金属材料主要有陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料四种,化学组成均为硅酸盐类,因此无机非金属材料亦称硅酸盐材料;又因其中陶瓷材料历史最悠久,应用甚为广泛,故国际上常称之为陶瓷材料.先进无机非金属材料,亦称无机新材料.包括结构陶瓷,复合材料,功能陶瓷,半导体,新型玻璃,非晶态材料和人工晶体等.,2023/7/11,28,无机非金属材料的特点,晶体结构:结合力主要为离子健、共价键或离子-共价混合键.赋于这类材料以高熔点、高强度、耐磨损、高硬度、耐腐蚀和抗氧化的基本属性,以及新近发现的宽广的导电、导热性和透光性以及良好的铁电性、铁磁性和压电性,高温超导性等.化学组成:
18、无机非金属材料已不局限于硅酸盐,还包括其他含氧酸盐、氧化物、氯化物、碳与碳化物、硼化物、氟化物、硫系化合物、硅、锗、IIIV族及IIVI族化合物等.其形态初形状也趋于多样化,复合材料、薄膜、纤维、单晶和非晶材料占有越来越重要的地应.制备:高纯度、高细度的原料,并精确控制化学组成、添加物的数量和分布、晶体结构和材料微观结构等.,2023/7/11,29,传统的无机非金属材料,天然硅酸盐:其基本结构单元为硅氧四面体(SiO4)4-,即硅位于四面体的中心,四个氧原子位于四面体的四个顶点.(SiO4)4-四面体相互结合,或与金属离子形成:具有单个阴离子,链状和层状阴离子以及骨架状结构等四大类硅酸盐.,
19、2023/7/11,30,硅氧骨架结构,2023/7/11,31,硅氧骨架结构,2023/7/11,32,硅氧骨架结构,长石架状,石英架状,层状,2023/7/11,33,层状硅酸盐矿物,滑石,高岭土,白云母,蛇纹石,2023/7/11,34,架状硅酸盐矿物,长石,沸石,2023/7/11,35,链状、环状硅酸盐矿物,碌帘石,电气石,辉石,硅灰石,硅线石,2023/7/11,36,水泥(cement),水泥:是一种水硬性胶凝材料,加入适量水后称为塑性浆体,可将砂、石纤维等材料黏结起来,硬化后形成一个整体.硅酸盐水泥:以粘土和石灰石(有时加入少量氧化铁粉)为原料,经煅烧成熟料,磨细后混入适量石膏
20、而成.组成为质量分数:6267%CaO+2024%SiO2+47%Al2O3+25%Fe2O3.水泥标号:标准试样在标准条件下,28天后的强度kg/cm2.特种水泥:矾土水泥,快凝快硬“双快水泥”,防裂防渗的“低温水泥”,能耐1250的“耐火水泥”,用于化工生产和特殊场合的“耐酸水泥”.,2023/7/11,37,玻璃（glass),广义上说,凡熔体通过一定方式冷却，因粘度逐渐增大而具有固体性质和结构特征的非晶态物质都称为玻璃.普通硅酸盐玻璃:主要成分是SiO2,Na2O和CaO等,硬而脆.硅酸盐玻璃中的Na2O被B2O3取代,可得到硬而耐热的硅硼酸盐玻璃,最高耐温可达1600,称为耐热玻璃.
21、硅酸盐玻璃中加入Li2O等成核剂,紫外线照射或特殊热处理,在体系中形成SiO2和Li2O微晶,得到微晶玻璃.强度提高6倍,比高碳钢硬,比铝轻,900 入冷水而不碎.石英玻璃:热膨胀系数极小,11001200 可长期使用.钢化玻璃:高强而安全,碎块不尖,不伤人.新玻璃品种:半导体玻璃,激光玻璃,电光玻璃,透红外线玻璃等.,2023/7/11,38,陶瓷(ceramics),陶瓷:指以粘土为原料,调制成型,经高温烧结而制得的硬而脆,耐水的人工硅酸盐材料.以粘土为原料,调制成型,低于1000烧结得到的多孔烧结体,称陶;以更纯粘土与几乎等量的石英和长石,调制成型后,1200煅烧,在经涂釉,升至1400
22、煅烧,得到带有细釉的“瓷器”.传统的陶瓷材料是复杂的多晶体,是晶粒、晶界、气孔和玻璃包裹物的集合体.细化晶粒,提高致密程度,减小气孔率,增加附加能量消耗材料相,可提高陶瓷的强度和韧性.,2023/7/11,39,精细陶瓷(advanced ceramics),结构陶瓷:指具有高硬、高强、耐磨耐蚀、耐高温和润滑性好等性能,用做机械结构零部件的陶瓷材料.氧化铝:高纯超细氧化铝经高温烧结而得.使用温度高达1980,用途极广.高纯氧化铝加入少量Y2O3和MgO等,特殊烧结,可得透明陶瓷.少量Cr2O3与Al2O3形成固溶体,称红宝石,是激光材料.氧化锆:离子键结合,性脆.加入少量Y2O3和CaO等可实
23、现增韧,得到“陶瓷纲”.氮化硅:硬度为9.低膨胀,高热导,可适应温度的急剧变化.Si3N4可与Al2O3形成固溶体,制得新材料“塞龙(sialon)”.碳化硅:SiC,俗称“金刚砂”,原子晶体.高温强度极高,掺杂可制得半导体材料,制作发热元件.已用于制造无冷却式陶瓷发动机.,2023/7/11,40,精细陶瓷(advanced ceramics),功能陶瓷:指以其固有的特性或通过各种物理因素作用而显示某种新性能的陶瓷材料.压电陶瓷:具有压电效应的陶瓷材料.主要有:钛酸钡系、钛酸铅系和锆钛酸铅系.用于制造各种换能器和传感器.晶体受外力作用而形变,同时在对应两个面上产生电荷,晶体带电的大小与外力成
24、正比;相反,在外加电场作用下,在晶体相应面上会产生形变,该现象称“压电效应”.光导纤维:光通信的关键.SiO2和LaF3已实用化.固体电解质:AgI离子晶体,Y2O3和CaO稳定的ZrO2,Na-b-Al2O3等.传感材料,2023/7/11,41,半导体材料(semiconducting material),半导体材料:室温电阻率为10-41010cm,依靠电子和孔穴这两类载流子的迁移实现导电的材料.半导体材料类型:元素半导体：包括Si,Ge,Sn,P,As,Se等,但实用的纯单质只有Si和Ge.均使用其高纯单质,如大规模集成电路使用的硅纯度超过99.9999999,现已能制得14个9的单晶
25、硅.掺杂半导体:适当掺杂大幅度提高电导率,通过调整杂质含量控制电导率,包括p-型如Si(B,Al),Ge(Ga)和n-型半导体如Si(P,As),Ge(As).化合物半导体:AxB8-x(x=1,2,3),即I-VII,II-VI,III-V族元素的组合,具有金刚石型或ZnS型晶体结构,以共价键为主.实用化最多的是III-V型,性能最好的是GaAs,亮灰,硬而脆,掺Te,得n-型,掺Zn或Cd得p-型.缺陷半导体:氧化物和硫化物,结构中存在阴离子或阳离子空位.,2023/7/11,42,超导材料(superconducting materials),超导电性:某些材料随温度降低,电阻率下降,在
26、某一特定温度附近,电阻突然消失的现象.具有超导电性的材料称超导材料.荷兰物理学家H.K.Onnes:1911年首次发现Hg在4.15K时出现0电阻.1973年得到Tc为23.2K的Nb3Ge超导体.20世纪80年代中期,世界超导研究出现高潮,取得巨大突破:1986年瑞士贝德诺兹和缪勒发现了Tc=35K的La-Ba-Cu-O混合氧化物.1987年美籍华人朱经武发现了Tc=90K的超导氧化物.我国赵中贤研究组制得了Tc=93K的Y-Ba-Cu-O混合氧化物,并测定了晶体结构.超导温度已高于液氮沸点77K,进入实用化阶段.科大研究组已制得了Tc=132K的Bi-Pb-Sb-Sr-Ca-Cu-O超导体
27、.以C60为基础的有机超导体研究也取得了突破性进展.超导材料在能源输送,磁悬浮列车,医疗卫生等领域有广阔应用前景.,2023/7/11,43,4.高分子材料,高分子材料学科的基本任务是：研究高分子材料的合成、结构和组成与材料的性质、性能之间的相互关系;探索加工工艺和各种环境因素对高分子材料性能的影响;为改进工艺,提高高分子材料的质量,合理使用高分子材料,开发新材料、新工艺和新的应用领域提供理论依据和基础数据.高分子材料学科是一门年轻而新兴的学科,它的发展要求科学和工程技术最为密切的配合,它的进步需要跨部门、多学科的最佳协调和共同参与.,2023/7/11,44,术语（Nomenclatures
28、）,Macromolecule(大分子):由大量原子组成,具有高的相对分子质量或分子重量.Polymer molecule(聚合物分子,简称高分子):由许多(poly)部分(mer,单体单元或链节)组成的多重重复的分子.一个高分子总是一个大分子,但一个大分子不一定是高分子.Polymer(聚合物):是由许多聚合物分子组成的一种物质,它是一种聚合的物质.,2023/7/11,45,2023/7/11,46,高分子材料结构与性能的关系,结构决定性能，性能反映结构.根据需要选择性能，根据性能设计结构，进而合成高分子材料，改性高分子材料.高分子结构与性能的关系及其变化规律,是高分子分子设计的基础,同时
29、也是确定高分子加工成型工艺的依据.,2023/7/11,47,聚合物结构的主要特点,链式结构链的柔性多分散性 凝聚态结构的复杂性 高分子链依靠分子内和分子间的范德华力相互作用培砌在一起，可呈现为晶态和非晶态交联网状结构,2023/7/11,48,线形非晶态聚合物的物理形态,线形非晶态聚合物无一定的熔点,随温度的变化,呈现三种物理形态:当TTf时,聚合物呈粘流态(能流动的粘稠液体),如常温下的胶粘剂或涂料;当TTg时,聚合物呈玻璃态(玻璃状坚硬固体),如常温下的塑料;当TgTTf时,聚合物呈高弹态(受力形变,除力回复的高弹体),如常温下的橡胶.,2023/7/11,49,聚合物分子内与分子间相互
30、作用力,物质的结构是指物质的组成单元(原于或分子)之间在相互吸引和排斥作用达到平衡时的空间诽布因此为了认识高聚物的结构，首先应了解存在于高聚物分子内和分子间的相互作用 化学键 构成分子的原子间的作用力有吸引力和斥力，吸引力是原子形成分于的结合力，叫作主价力，或称键合力斥力是各原子的电子之间的相互排斥力当吸引力和斥力达到平衡时，便形成稳定的化学键共价键:离子键:,聚丙烯酸,聚丙烯胺,2023/7/11,50,离子型聚合物(ionomer)中也有离子键存在，例如以乙烯和10%左右的丙烯酸的共聚物为主链，以金属离子Mg2+为交联剂的高聚物：,常温下成键,高温下解离.高温加工,冷却交联.结晶度低,透明
31、性好,冲击和拉伸强度高.,金属键 是由金属原子的价电子和金属离子晶格之间的相互作用而形成的，无方向性和饱和性，赋予高导电性在所谓的“金属螯合高聚”(metallocene po1ymer)中可以说存在金属键,2023/7/11,51,范德华力 作用能:28kJ/mol是存在于分子间或分子内非键合原于间的相互作用力两分子间的范德华力F(r)及相互作用能E(r)是分子之间距离r的函数如图所示.,当r=r0时,F(r)=0,静电力:极性分子之间,温度T成反比,与距离的7次方成反比;诱导力:极性分子与非极性分子之间,与温度有关,与距离的7次方成反比;色散力:非极性分子之间,与温度无关,与距离的7次方成
32、反比;,r,2023/7/11,52,氢 键,氢键是与电负性较强的原子相结合的氢原子(如XH)同时与另一个电负性较强的原子(如Y)之间的相互作用，即(XHY)这些电负性铰强的原子一般是氮、氧或卤素原子一般认为在氢键中，XH基本上是共价键，而HY则是一种强而有方向性的范德华力这里把氢键归入范德华力是因为氢键本质上是带有部分负电荷的Y与电偶极矩很大的极性键XH间的静电吸引相互作用.氢键的键能:1329 kJ/mol.氢键键长:0.240.32 nm.氢键可以存在于分子内和分子问，在聚酰胺、聚氨酯和生物大分子中起着重要的作用,2023/7/11,53,高分子链的近程结构,聚乙烯聚丙烯聚苯乙烯聚氯乙烯
33、聚甲基丙烯酸甲酯,链结构单元:,2023/7/11,54,尼龙-6,6聚丙烯氰聚对苯二甲酸乙二醇酯,聚酰亚胺,2023/7/11,55,聚合物分子单体必须是双官能团的小分子,具有两个(或多个)官能的末端基团.二元醇,二元酸,二元胺羟基羧酸,氨基酸硫化钠Na2S三元胺,四羧酸等.具有重键的单体:碳碳双键,碳碳三键;碳氮三键和碳氧双键等.在环中含有杂原子的环状单体:如环氧乙烷,四氢呋喃,六甲基环三硅氧烷,己内酰胺等.,2023/7/11,56,基于结构的高分子,均链高分子(homochain polymer）一种链原子.元素高分子:主链中含有:Si,S,P,Al,Sb等杂链高分子:如PEO,POM
34、,PA等,2023/7/11,57,链结构单元的键接方式 头-头 尾-尾 头-尾 通过裂解方法检测链结构单元键接方式.,2023/7/11,58,交联和枝化,HDPELDPELLDPE,高分于链之间通过化学键键接而形成三维网状结构，称为交联热固性塑料、硫化橡皮，羊毛、头发等都是交联结构的聚合物它们具有不溶不熔的特点，因此，可交联的高聚物的成型只能在形成交联结构以前，一经形成交联结构，形状就不能再改变交联结构的高聚吻具有更优越的性能，例如耐热、耐溶剂、尺寸稳定等交联聚乙烯的性能相对线形和支化聚乙烯具有更高的抗张强度和耐热性橡胶只有经过硫化才能形成真正的弹性体橡皮,2023/7/11,59,Imp
35、ortant Properties of Polymers,低密度(Density:Low lightweight)良好绝缘(Good electrical&thermal insulators)易变形和加工(Flexible&subject to deformation)耐热温度低(Thermal Transitions:100oC)机械强度(mechanical strength)随结构不同而变化 化学稳定性好,不腐蚀,但可氧化燃烧,空气中易老化.,2023/7/11,60,高分子材料的制备,2023/7/11,61,高分子合成反应,加聚反应 由若干单体经加成反应而聚合生成聚合物的过程.由
36、一种单体的聚合称均聚.产物称均聚物,如乙烯聚合得聚乙烯.由两种或多种单体的加聚反应,称共聚.产物称共聚物,与均聚物相比有更高的性能,如苯乙烯(S)与丁二烯(B)共聚,得嵌段共聚物SBS.加聚反应的单体必须具有不饱和碳-碳重键.如:CH2=CH2,CHCH,CH2=C-CH3 COOCH3 绝大多数是不可逆反应;延长反应时间不增加Mr,但可提高单体转化率.,2023/7/11,62,高分子合成反应,缩聚反应:低分子单体通过缩合反应形成聚合物的过程,产物称缩聚物,同时有水,醇,氨,或卤化氢等析出,所以缩聚物的组成与单体不同.如聚酰胺(PA),PA66是HOOC-(CH2)4-COOH与NH2CH2
37、(CH2)4CH2NH2的缩聚产物:nH2N(CH2)6NH2+n HOOC-(CH2)4COOH HO C(CH2)4-C-NH-(CH2)6-NH n H+(n-1)H2O O O单体必须有两个或两个以上官能团;逐步完成,可逆反应;延长反应时间不提高单体转化率,但可提高Mr.,2023/7/11,63,合成树脂和塑料:填充增强增韧,降低成本.教材P332表7.4 通用塑料:应用广,产量大,价格廉的塑料.如聚烯烃:PE,PP,PS等;PVC;酚醛,环氧,聚酯,尿醛等.工程塑料:综合性能好,可代替金属作工程材料,制造机器零部件的塑料.最重要的有:聚甲醛 聚酰胺 聚碳酸酯 聚四氟乙烯 ABS塑料
38、 耐热工程塑料,重要高分子材料,2023/7/11,64,橡胶:使用温度范围内处于高弹态的线性聚合物.在较小的外力作用下,能产生很大的形变,外力除去后又能恢复到原始状态.工业上用做弹性,密封,防震和传动材料.韧性好,强度低.填充增强非常重要.天然橡胶:橡胶树上流出的胶乳,其主要成分是异戊二烯的聚合体,经凝固,干燥变成弹性固体,称生胶,经硫化,成型得橡胶制品.合成橡胶:最重要的有:丁苯橡胶:丁二烯与苯乙烯的线性共聚物.顺丁橡胶:1,3-丁二烯经1,4加成聚合而得.乙丙橡胶:乙烯与丙烯共聚物.氯丁橡胶:2-氯-1,3-丁二烯的聚合物.特种合成橡胶:丁腈橡胶:丁二烯,丙烯腈共聚物.丁基橡胶:异丁烯与
39、少量异戊二烯的共聚物.氟橡胶:分子链或侧链上有氟的线性聚合物.,2023/7/11,65,粘结剂:能将两种固体材料连接起来,具有良好的粘结性能的物质.天然粘结剂:淀粉,虫胶,松香等.合成粘结剂:合成树脂.粘度适当,流动性好;能重复润湿被粘结物的表面,填补其凹凸不平处;通过物理-化学作用,经固化处理,将被粘物粘结起来,具有较强的附着力和内聚力.分子链中具有极性基团-OH,-NH2,-CN,-COOH,等的聚合物一般具有较强的粘结力.性能优良的有聚氰基丙烯酸酯 环氧树脂(万能胶).三种类型:反应固化型 溶液-乳液型 热熔胶,2023/7/11,66,导电高分子材料 Electrically Con
40、ductive Polymer Materials有机高分子磁性材料 Organic Polymeric Magnetic Materials介电高分子材料（高分子电绝缘材料）Dielectric Polymer Materials高分子光导材料 Photoconductive Polymers,功能高分子材料,2023/7/11,67,高分子太阳能转换材料Polymeric Solar Energy Conversion Materials高分子驻极体 Polymeric Electrets 高分子压电材料 Polymeric Piezoelectric Materials高分子透明材料Po
41、lymeric Transparent Materials高分子非线性光学材料Polymeric Nonlinear Optical Materials,2023/7/11,68,高分子光导纤维 Polymeric Optical Fibers高分子固体电解质 Solid Polymer Electrolytes高分子烧蚀材料 Ablative Polymer Materials高吸水高分子材料 Polymeric Super-Absorbents of Water高分子液晶材料 Liquid Crystalline Polymers,2023/7/11,69,缓释高分子材料 Polymeri
42、c Materials for Controlled Release高分子减阻剂 Polymer Drag Reducers 酶固定高分子材料 Enzyme Immobilized Polymeric Materials高分子模拟酶 Polymeric Mimic Enzyme生物降解高分子材料 Biodegradable Polymeric Materials,2023/7/11,70,生物医学高分子材料 Biomedical Polymers离子交换树脂 Ion Exchange Resin高分子分离膜 Polymeric Membrane for Separation高分子屏蔽材料 Po
43、lymeric Shielding Materials高分子阻尼材料 Polymeric Damping Materials高分子密封材料 Polymeric Sealing Materials,2023/7/11,71,高分子摩擦材料 Polymeric Friction Materials高分子形状记忆材料 Polymeric Shape Memory Materials高分子隐身材料 Polymeric Stealth Materials高分子催化剂 Polymer Catalysts高分子封装材料 Potting Polymer Materials,2023/7/11,72,聚合物改性
44、,高分子材料改性是指通过各种方法改进已有材料的结构、组成,以达到改善性能,扩大品种和应用范围的目的.通常包括化学改性和物理改性两类方法.化学改性:借助于化学反应,改变高分子分子结构和组成,控制聚集态结构,提高综合性能.交联反应:借助化学键的形成,使线性聚合物结合成体型聚合物.如橡胶硫化.可提高材料的机械强度,耐溶剂性和耐热性等.共聚反应:由两种或两种以上单体通过共聚生成共聚物,实现在性能上取长补短.如ABS,SBS,乙丙共聚物等.官能化反应:在聚合物链上,引入其他官能团,赋予聚合物材料某种功能或提高材料综合性能.如苯乙烯-二乙烯苯共聚物磺化在分子链上引入磺酸基制备离子交换树脂.马来酸酐接枝PP
45、或PE等.,2023/7/11,73,聚合物改性,物理改性:通过加入其他组分,借助于组分间的物理相互作用,改善原有聚合物的性能.填充改性:通过一定加工途径,向聚合物树脂基体中填充各种填料如CaCO3,高岭土,滑石粉,木粉等.提高聚合物的强度,降低成本.共混改性:不同聚合物混合,形成“合金”,扬长避短,增强增韧,提高性能,降低成本.橡-塑共混可使橡胶增强,成本大幅度降低.塑-橡共混可使塑料增韧.复合改性:由两种或两种以上性质不同的材料合理组合制得的多相材料.如玻璃纤维增强聚合物:玻璃钢,聚合物/无机物复合材料等.,2023/7/11,74,5.复合材料,金属材料易腐蚀;高分子材料易老化,不耐高温
46、;无机非金属材料韧性差,易碎裂.三者优化组合,制备性能优异的复合材料.复合材料大多是以连续相存在的基体材料和分散于基体中的增强材料组成.增强材料:能提高材料基本力学性能的物质.包括粒子和纤维.无机纳米粒子具有更高的增强增韧效应;纤维具有良好的刚性和抗张强度.在体系中构成复合材料的骨架,决定材料的刚性和强度.基体材料:使增强材料粘合成型,且对承受的外力起传导和分散作用.21世纪是复合材料的世纪.,2023/7/11,75,聚合物基复合材料,主要指纤维增强聚合物材料.环氧树脂包埋碳纤维复合材料.网球拍,高尔夫球棍和滑雪撬等.玻璃纤维增强聚酯复合材料玻璃钢.应用极端广泛.玻璃纤维增强聚酰胺,可大幅度
47、提高聚酰胺的机械强度,耐水性,尺寸稳定性和使用温度.碳纤维增强聚酰亚胺已用于制备汽车发电机.和飞机零配件.,2023/7/11,76,金属基复合材料,铝基(碳纤维增强)复合材料.镍基(钨丝增强)复合材料.提高耐温性能.钛基复合材料,2023/7/11,77,陶瓷基复合材料,陶瓷包埋纤维或晶须复合材料可大幅度提高材料的韧性.法国长纤维增强碳化硅:应用于制造高速列车的制动件.美国陶瓷基复合材料应用于制造涡轮发动机.我国碳纤维增强石英复合材料,为我国航天事业“再返大气层的超高温防热问题”,提供了关键材料.,2023/7/11,78,6.纳米科技与纳米材料,纳米科学技术:20世纪80年代末诞生并在蓬勃
48、发展的一中高新科技.是在纳米尺寸范围内认识和改造自然通过直接操纵原子和分子而创造新物质(包括材料、器件、性能和使用效能等)，探索在纳米尺度范围内物质运动的新现象和新规律.它的出现标志着人类改造自然的能力已延伸到原子和分子水平,标志着人类科学技术水平已进入到个新时代 纳米科技时代.纳米科学技术是多学科交叉,基础研究和应用开发紧密联系的集成高新科技.包括:纳米生物学、纳米电子学、纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米机械学等新学科领域,已经并继续对相关各产业领域产生强烈的影响和渗透。,2023/7/11,79,纳米科技向不同领域的渗透,2023/7/11,80,纳米材料科学技术,纳米材料即是由纳米
49、结构形成的材料,包括纳米粒子、纳米管以及纳米结构按一定方式堆积或在一定基体中分散形成的宏观材料,如纳米块体材料和纳米复合材料等.纳米材料学(nanomaterial science)是研究纳米材料的制备、结构与性能的关系及其应用的科学,是物理学、化学和材料学的交叉研究领域,是纳米科技的重要组成部分和中心环节.纳米材料学是原子物理、凝聚态物理、胶体化学、固体化学、配位化学、化学反应动力学和表面、界面科学交叉汇合而出现的新学科生长点.,2023/7/11,81,纳米材料科学技术,2023/7/11,82,把组成相或晶粒结构控制在100nm以下长度尺寸的材料称为纳米材料.分为两个层次:即纳米超微粒子
50、和纳米固体材料(具有纳米孔、纳米通道等纳米相结构).,2023/7/11,83,Two pathways to nanostructures,2023/7/11,84,我国的进展,白春礼等研制成功STM,并用其进行石墨表面刻蚀，刻出线宽为10nm的“中国”字样.“碳纳米管和其它纳米材料”研究方面取得了具有国际影响的创新性成果.该项目是“中国科学院知识创新工程”实施项目，由物理所、化学所、感光所、沈阳金属所、上海硅酸盐所、合肥固体物理所和中国科大等单位的科技工作者共同参与，联合攻关。物理研究所解思深研究员带领的课题组、香港科技大学相关课题组，物理所研究员彭练矛课题组先后制备或合成出直径为0.5n
