第九章材料化学-大学化学

第九章化学与材料9.1引言9.1.1材料的定义所谓材料是指人类利用单质或化合物的某些功能来制作物件时用的化学物质。也就是说，材料是具有某些功能的化学物质。这里所说的化学物质，既可以是单质，也可以是化合物。由材料的定义可知，材料与化学的密切关系。9.1.2材料与化学的关系材料科学一般包括四个组元：材料的组成结构，材料的合成工艺，材料的性能以及材料的应用。四者是互相联系、密不可分的。而上述四个方面都离不开化学。材料的组成结构是研究、制备和使用材料的基础，而化学就是研究物质的组成、结构和性能关系的科学；材料的合成更是离不开化学，就是对原有材料进行改性也同样离不开化学（材料改性是制备新材料的重要手段），如在金属表面扩渗稀土元素就是对材料改性的一种重要方法；材料的性能离不开其组成结构，近年来发展起来的分子工程学，就是将分子设计与分子施工结合起来，有目的、按需要地来制备新物质和新材料；材料的应用同样离不开化学，材料的加工、合理使用，材料的保护等都与化学有密切关系。因此化学在材料科学中占有重要的地位。9.1.3材料的分类材料可按不同的方法分类。若按用途分类，可将材料分为结构材料和功能材料两大类。若按材料的成分和特性分类，可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料等。结构材料是以其所具有的强度为特征被广泛应用的材料；功能材料，主要是以其所具有的电、光、声、磁和热等效应和功能为特征被应用的。9.2金属材料一.金属晶体结构按金属键的自由电子理论，周期排列的金属原子和离子处于自由电子的气氛中，两者紧密地胶合在一起，形成金属晶体。因此，金属键没有方向性和饱和性（这是与共价键不同的地方），金属原子以高配位的密堆积方式排列。金属晶体的最基本结构类型有三种。其中两种是属于最紧密堆积，即六方密堆积和立方密堆积（空间利用率为74.05%）；第三种是较密堆积—体心立方堆积（空间利用率为68.02%）。具体排布方式（图9.3，9.4，9.5，9.6）。金属单质晶体除上述三种基本晶格外，还有其它较复杂的晶格。金属晶格六方密堆积立方密堆积面心立方有些金属还可以有几种不同的晶体结构，例如纯铁在910℃以下具有体心立方晶格，叫α-Fe，当温度超过910℃至1320℃时，则由体心立方晶格转变为立方晶格，称为γ-Fe。二．金属键1.金属键的自由电子理论按金属键的自由电子理论，金属元素的价电子不是固定于某个金属原子或离子，它是共有化的，可以在整个金属晶格的范围内自由运动，称为自由电子。

自由电子的运动是无序的，它们为许多原子或离子所共有。这些自由电子减少了晶格中带正电荷的金属离子间的排斥力，起到把金属原子或离子连接在一起的作用，这种“连接”作用就称为金属键。由于自由电子可以吸收各种波长的可见光，随即又发射出来，因而使金属具有光泽；自由电子可以在整块金属内运动，所以金属的导电性、传热性都很好；由于金属键没有方向性和饱和性，金属原子以高配位的密堆积方式排列，使它在受到外力作用时各密置层间可以相对滑动，但由于自由电子的运动，使各层间仍保持着不具方向的金属键的作用力，所以金属虽然发生变形而不致破裂，使金属有优异的延展性。

2.能带理论（1）能带理论的基本内容①一块（金属）晶体可以看成是一个“大分子”，晶体中的电子是在这个“大分子”中的分子轨道（一般称为公有化轨道）中运动。②晶体中的公有化轨道是由原子轨道组合而成。公有化轨道的数目等于参加组合的原子轨道数目。③电子在公有化轨道中的分布也遵循保里原理、能量最低原理（因为没有简并轨道，因此不提洪德规则）。现以Li金属晶体的2s轨道为例，当2个Li原子接近时，2个2s轨道发生重叠，组成2个分子轨道。一个是成键分子轨道，一个是反键分子轨道（2个1s轨道的重叠情况与的2s相似，9.7图）。而如果是N个Li原子进行组合的话，则可分别形成N个对应于1s和2s的分子轨道（又称公有化轨道，图9.8）。对于金属晶体来说，即使是很小的一块晶体所含的原子数也是很大的。例如，1cm3的锂晶体，约有4.6×1022个锂原子，那么它们就有4.6×1022个2s原子轨道，组成同样数目能量不同的公有化轨道。在这些公有化轨道中，能量最高的和能量最低的轨道能量差只约为6.72×10-19J，这样每一相邻的公有化轨道的能量差就很小了，约为1.6×10-41J。实际上这些能级的界限已经分不清了，几乎连成一片了，从而形成了具有一定上下限的能带。能带的下半部分充满电子，上半部分则空着（图9.8）。同样道理，N个锂原子的N个1s以及其它原子轨道也都形成对应的能带，其中1s能带充满了电子，而其它能带则空着。每一条公有化轨道只能容纳2个电子，因此如果参加组合的原子轨道上充满电子，则其形成的能带也是完全充满电子的（即没有空的公有化轨道），这种能带叫做满带，例如锂的1s能带。如果参加组合的原子轨道未充满电子，则其形成的能带也是未充满的（即有空的公有化轨道）。在这种未满能带中的电子，吸收微小能量迁移到带内能量稍高的空公有化轨道，从而起到导热、导电作用。这种未充满电子的能带称为导带，就像锂的2s能带。有未充满的能带，这是导体的特点。相邻的能带（如锂的1s和2s能带）一般还隔开一段能量间隔，这段能量间隔叫带隙。正如原子中的电子不能在两条原子轨道之间“停留”一样，带隙是电子的“禁区”，电子不能停留在这一禁区内，故又把带隙叫做禁带。

正如在原子形成简单分子时，形成了分立的分子轨道一样，当原子形成晶体时，便形成了分立的能带。晶体中最重要的能带是由价电子充填的导带、与导带毗邻的空带以及它们之间的禁带。④金属中相临近的能带有时可以相互重叠。例如，镁的价电子层结构为3s2，则其对应的能带应该是全充满的，那么镁好象应该是非导体。其实镁是导体，这是为什么呢？这是由于镁的3s和3p能带互相重叠，3s虽然是满的，但与它重叠的3p能带却是空的，仍相当有未满的能带。（2）能带理论的应用①金属某些性质的解释。能带是由晶体中N个原子共同作用组成的，导带中的电子显然不是定域在两个原子之间，而是活动在整个晶体范围内，处于非定域状态。这些非定域电子相当于金属键的自由电子理论中的自由电子。金属的导电性、导热性、延展性以及具有金属光泽等都与其有关。i.导电性当向金属施加外电场时，处于未满带中的电子，将从一个能级跃迁到另一个空的能级，运动速率和能量都要发生改变（即其运动状态发生了改变），因此说导带中的电子可以导电。如果能带已经被电子占满，在外电场作用下，由于满带中的电子“挤得”满满的，电子总的运动状态不能发生变化，因此满带中的电子没有导电作用。ii.金属光泽因为金属有未满的能带（导带），所以处于导带上的电子就能吸收几乎白光中各种颜色的可见光，而跃入能量稍高的空轨道上去。而当它们返回低能态时，又把所吸收的各种频率的可见光反射出来，所以光滑的金属表面显出特有的银白色光泽。②导体、半导体和绝缘体的能带结构。固体从它们的导电性能来分，可以分成导体、半导体和绝缘体等三类，它们都具有特有的能带结构。导体中有未满的能带（也包括像金属Mg那样，3s、3p能带重叠的情况），而半导体和绝缘体最高填充电子的能带是满带，能量再高的能带则是空带。如这两个能带之间的禁带宽度为5～7eV时，电子难以借热运动等越过禁带进入空带，因此是绝缘体，如金刚石的禁带宽为5.3eV。但当禁带宽度为1eV（1.602ⅹ10-19J或96.48kJ·mol-1）左右时便属于半导体。典型的半导体材料Si的禁带宽度为1.12eV；Ge为0.67eV。由于半导体的禁带宽度较小，所以当受到光照或外电场等作用时，满带上的电子可以跃迁到空带（成为导带）上，并在满带上留下空穴。导带上的部分电子和原满带上的空穴都可以参与导电，半导体的导电性一般随温度升高而增大，就和它的能带结构有关。其实我们通常所见的金属单质（即纯金属）并不纯。虽然高纯金属材料比较贵，从而限制了其广泛使用，但由于高纯金属有许多优异的性质，已经引起人们很大的研究兴趣。

近三十年来金属材料科学发展十分迅速，除传统的金属材料外，相继出现了诸如超高纯金属、金属玻璃（非晶态）、准晶、定向共晶合金、微晶、低维合金（传统的材料一般都是三维块状材料，现在正向二维的薄膜材料，一维的纤维材料等发展）、形状记忆合金以及纳米晶体（准零维的超细颗粒材料）等一系列从结构到物理力学性质均有特色的新材料，并在电性能、磁性、强度和耐蚀性等方面都取得了很大进展，预计在21世纪将获得广泛地应用。9.2.2合金

一．合金的结构和类型合金的种类很多，按结构特点合金可以分为机械混合物、固熔体和金属化合物三大类。二．合金材料随着科学技术的发展，对材料的要求不断提高。就合金材料而言，已由最初的铜、铁的合金发展到多种组成、性能各异的大量新合金。下面仅以形状记忆合金为例做简单介绍。这是60年代初，美国海军军械实验室的研究人员从一个意外的实验现象中发现的。50％的镍和50％的钛的合金在温度升到40℃以上时，能“记住”自己原来的形状。科学家把这种现象称为“形状记忆效应”。后来人们又发现铜锌铝合金、铜镍铝合金和铁铂合金等也具有“形状记忆效应”。科学家把这类合金叫做“形状记忆合金”。那么究竟为什么记忆合金具有和一般金属不同的特性呢？要阐明它的机理需要冶金学、金属物理学和化学等多种学科的知识，至今还有不少问题未能完全搞清楚。从根本上说，形状记忆合金的特性是由它的内部晶体结构所决定的。这类合金在一定的温度范围内具有一定的外形，而且合金内部的原子排列具有和外形相适应的可逆转变结构。形状记忆合金都有一定的转变温度，在转变温度以上，加工成欲记忆的形状，合金内部原子则排列成一种稳定的晶体结构。把它冷却到转变温度以下，施加外力改变它的形状，此时它的原子结合方式并未发生变化（即没有化学键的改变），只是原子离开原来位置，在邻近位置上暂时停留着。如果把这种形变后的记忆合金加热到转变温度以上，由于原子获得了向稳定晶体结构转变所需的能量，就又重新回到原来的位置，从而又恢复了以前的形状。形状记忆合金有着广泛的应用，它为宇航事业做出了很大贡献。形状记忆合金在医疗器械方面也有广泛应用。例如，将形状记忆合金事先连接在弯曲的脊椎骨上，依靠人的体温使合金伸直，就可以达到矫正脊椎骨的目的。而用形状记忆合金来补牙，任蛀洞七弯八绕，也能镶嵌得十分紧密等。9.3无机非金属材料9.3.1结构陶瓷材料结构陶瓷是指发挥材料机械、热、化学等效能的一类先进材料（作为工程材料，如同高分子材料中的工程塑料）。结构陶瓷材料有着金属、聚合物等其它材料很难相比的优异性能。最突出的优点是以耐高温、高强度、超硬度、耐磨损、抗腐蚀等机械力学性能为主要特征，因此在冶金、宇航、能源以及机械等领域都有重要应用。下面只介绍其中的三种，见下表。9.3.2功能陶瓷材料功能陶瓷材料是以电、磁、光、热和力学性能及其相互转换为主要特征，在电子通讯、自动控制、集成电路、计算机技术、信息处理等方面日益得到广泛地应用。

一．压电陶瓷材料从对称性来考虑，压电陶瓷没有对称中心。在宏观32种点群中，有20种有压电效应。由于没有对称中心，当在某个方向施加压力时，则在特定方向引起极化，相应一对表面间出现电势差；反之在一定方向上施加电场，则会发生特定的形变和位移。压电材料现在广泛地用做声表面波器件，用于电视（滤波器）、雷达等。二．敏感陶瓷材料电性能随热、湿、气、光等外界条件的变化而产生敏感效应的陶瓷统称敏感陶瓷。敏感陶瓷是由离子键的金属氧化物多晶体构成的一种导电材料。通过不同的掺杂和加工工艺可以得到对周围环境起敏感效应的各种敏感材料。

1.热敏陶瓷。利用陶瓷的电阻值对温度的敏感特性制成的一类陶瓷元件称温度敏感陶瓷，它是一种温度传感器。根据陶瓷的阻温特性可以制成测温仪、控温仪等。电饭锅的温控，某些军事装备中需要在特定温度下工作的元器件的正常工作，都需要这种陶瓷制成的热敏元件。

2.湿敏陶瓷和气敏陶瓷。湿敏陶瓷是在外界湿度改变时，陶瓷表面通过吸附水分子后改变了表面导电性和电容性，从而指示周围环境的湿度。气敏陶瓷是一种对气体敏感的陶瓷，它的灵敏度高，可以检测氧化性气体、还原性气体和和可燃性气体。不仅半导体陶瓷可以作为气敏陶瓷，而且离子导电陶瓷也可以作为气敏陶瓷使用。传统的陶瓷是良好的绝缘体，这几乎是人所共知的。但是陶瓷也有电子导电体、离子导电体、半导体导电体以及其它导电材料等。首先简单介绍电子导电体。在氧化物陶瓷中，离子的外层电子通常是受到原子核的较大吸引力，束缚在各自的离子上，即使加上不高的外电场，这些价电子也不能自由运动而成为所谓的自由电子。所以氧化物陶瓷通常是不导电的绝缘体，或者说是电介质。但是，如果把某些氧化物加热，或者用其它方法激发，使外层电子获得足够的能量，足以克服原子核对它的吸引力，摆脱原子核对它的控制，而成为自由电子，于是氧化物陶瓷就成为电子导体或半导体。氧化锆陶瓷、氧化钍陶瓷以及由复合氧化物组成的铬酸镧陶瓷都是新型高温电子导电材料，可作为高温设备的电热材料。它们与金属电热体相比，最大的优点是更耐高温和有良好的抗氧化能力。金属电热材料中最常见的是镍铬丝，在空气中的最高使用温度是1100℃；用昂贵的铂丝、铑丝，在空气中的最高使用温度也只有1600℃；采用难熔金属钽、钼、钨等做电热体，使用温度可达2000℃，但必须以氢、氮、氩等气体保护或在真空下工作，否则它们就很快被氧化而失去使用价值。现在常用的两种陶瓷导电材料：碳化硅和二硅化钼，它们的使用温度也比不上氧化锆、氧化钍、铬酸镧陶瓷。碳化硅的最高使用温度为1450℃；二氧化钼的最高使用温度为1650℃，但它的机械强度不高，质地很脆。稳定的氧化锆陶瓷的最高使用温度为2000℃，它在高温下的导电性能很好，基本上为电子导体。但是，在低温特别是在室温情况下导电性能还不理想，作为电热材料就得在高温设备中用其它热源进行预热；另外，氧化锆的负电阻温度系数较大，即温度升高时电阻大大降低，使得通过的电流大大增大，这就给操作控制带来不少困难。因此氧化锆作为电热材料的广泛应用还得进行一些研究工作。在固体离子型晶体中，带电离子倍受限制，但仍能以扩散形式发生移动，从而产生离子导电。在外电场的作用下，离子沿电场方向运动的概率增大，产生离子电流。稳定的氧化锆陶瓷在高温时不仅产生电子导电，也会因氧离子的运动而产生离子导电。因此，凡是在高温下需要测量或控制氧气含量的地方，都可以采用氧化锆陶瓷氧气敏感元件。

三．高温超导陶瓷早在60年代末，就曾发现具有钙钛矿结构的（Ba1-xPbxTiO2）陶瓷是超导体。但TC（临界温度）很低，没有实用价值。1987年由美国豪斯顿大学首先制得的Y-Ba-Cu-O体系的陶瓷，TC为90K，用液氮冷冻即可实现超导（氮的沸点为77K），这一突破性进展使超导材料进入实用研究阶段。以后又发现了Bi-Sr-Ca-Cu-O、Tl-Ba-Ca-Cu-O等一系列具有高温超导性能的新材料，高温超导材料的广泛应用前景受到全世界的瞩目。超导陶瓷四．羟基磷灰石生物陶瓷材料生物陶瓷是先进结构陶瓷的一个重要分支，目前主要用于人体硬组织的修复，使其功能得以恢复。生物陶瓷羟基磷灰石植入人体内与其它材料相比有显著的优点，它与骨组织的化学组成比较接近，生物相容性好，羟基磷灰石的降解并伴随着新骨的长入，骨与材料直接结合并融为一体。因此，生物陶瓷材料越来越受到人们的重视。9.4有机分子材料由一千个以上原子通过共价键结合形成，相对分子质量可达几万到几百万，这类分子称为高分子（或称聚合物）。聚合物有三类：有机聚合物，无机聚合物(如石棉)和金属配位聚合物（在聚合物的骨架中有金属配位键）。聚合物9.4.1有机高分子化合物的组成有机高分子化合物（有机聚合物）也称高聚物，它是由许许多多有机小分子聚合而成的。虽然有机高分子化合物的分子质量非常大，但是其基本化学结构并不复杂，一般都是由一个或若干个简单的结构单元重复连接而成。这些重复的结构单元称为链节，有机高分子化合物分子中所含的链节数称为聚合度。例如聚氯乙烯的结构式：

此结构式也可简写成，其中为链节，n表示聚合度。显然，有机高分子化合物分子的聚合度可以用来衡量其分子的大小。不过，同一种有机高分子化合物的分子所含有的链节数并不完全相同，因此它们的相对分子质量也有差异。事实上，有机高分子化合物没有确定的分子质量和确定的聚合度。它是由许多链节结构相同而聚合度不同的大分子化合物混合而成，其分子质量和聚合度指的是平均分子质量和平均聚合度。各种有机高分子化合物是由不同的结构单元所组成，能够产生这些结构单元的原低分子化合物称为单体。9.4.2有机高分子化合物的合成有机高分子化合物是由低分子有机物（单体）相互连接在一起而形成的，这个形成的过程就称为聚合反应。1．加聚反应具有不饱和键（含有双、三键）的单体经加成反应形成有机高分子化合物，这类反应称为加聚反应。其产物称为共聚物。例如，聚氯乙烯是由一种单体氯乙烯聚合而成，属均聚物；丁苯橡胶是由丁二烯、苯乙烯两种单体聚合而成，属共聚物。

2．缩聚反应缩聚反应的单体在聚合过程中，同时缩减一部分低分子化合物。由缩聚反应得到的聚合物称为缩聚物。如尼龙-66的合成：尼龙分子结构在缩聚反应中，由于有一部分低分子缩减掉了，因而缩聚物的链节与单体有所不同。例如当己二酸与已二胺进行缩聚反应时，己二酸分子上的羧基与己二胺分子上的氨基相互在各自分子两端发生缩合，生成聚酰胺-66（尼龙-66），聚酰胺-66的每个链节都是由己二酸与己二胺分子间脱水缩合而成。9.4.3有机高分子化合物的结构和性能

有机高分子化合物几乎无挥发性，常温下常以固态或液态存在。固态高聚物按其结构形态可分为晶态和非晶态。前者分子排列规则有序；而后者分子排列无规则。同一种有机高分子化合物可以兼具晶态和非晶态两种结构。大多数的合成树脂都是非晶态构。组成有机高分子链的原子之间是以共价键相结合的，按照分子的几何形状，有机聚合物可分为链形和体形两种(图9.10)。不同高聚物性能间的差别，与其分子结构、分子间作用力、分子链的柔顺性、聚合度和分子的极性等因素有关。1．有机高分子链的结构和柔顺性链形（包括带支链的）高聚物的长链分子通常呈卷曲状，且相互缠绕，分子链间有较大的分子间作用力，显示一定的柔顺性和弹性。可溶解于合适的溶剂。它们在加热时会变软，冷却时又变硬，可反复加工成型，被称为热塑性高聚物。聚氯乙烯、未硫化的天然橡胶、高压聚乙烯等都是链形有机高分子化合物。体型高聚物是链型（含带支链的）有机高分子化合物分子间以化学键交联而形成的具有空间网状结构的有机高分子化合物。一般弹性和可塑性较小，而硬度和脆性较大。一次加工成型后不再能熔化，故又称为热固性高聚物。它具有耐热、耐溶剂、和尺寸稳定等优点。如酚醛树脂、硫化橡胶以及离子交换树脂等都是体型高聚物。2．有机高分子化合物的物理形态非晶态链状高聚物无确定的熔点，在不同的温度范围内可呈现三种不同的物理形态，即玻璃态、高弹态和粘流态（图9.11）。为什么强调非晶态链状高聚物？呈高弹态的高聚物当温度降低到一定程度时，可转变成如同玻璃体状的固体，称为玻璃态（如常温下的塑料即处于玻璃态），该转化温度叫玻璃化温度，用Tg表示。而当温度升高时，高聚物可由高弹态转变成能流动的黏液，称为粘流态。从高弹态转变为粘流态的温度叫粘流化温度，用Tf表示。一些非晶态高聚物的Tg和Tf值见表9.1。对于非晶态高聚物，Tg的高低决定了它在室温下所处的状态。Tg高于室温的高聚物常称为塑料。Tg低于室温的高聚物常称为橡胶。

用做塑料的高聚物Tg要高；而用做橡胶，Tg与Tf之间的差值则决定着橡胶类物质的使用温度范围。

工程塑料种类繁多，但广泛应用的有：聚酰胺

聚甲醛聚碳酸酯和聚砜等。聚酰胺塑料作为结构材料广泛应用于工业和农业生产各部门。由于它的冲击韧性、耐磨性、自润滑性以及无音性较好，因此用于制造轴承、齿轮和滚珠轴承等；由于它的耐油性能好，可用来生产输油管、高压油管及储油容器等。聚酰胺纤维（也叫锦纶）具有撕裂强度高、抗冲击性能优异以及耐疲劳等优点，加上与橡胶的粘附力好，因此可用于制造轮胎帘子线。聚甲醛是具有优良综合性能的通用工程塑料。它的机械强度大、刚性高、尺寸稳定型好、且原料甲醛来源丰富，价格便宜，生产工艺、设备都较简单，是一种很有发展前途的塑料。聚碳酸酯的冲击强度特别突出，并有很高的抗张、抗弯以及抗压强度，同时在很宽的温度范围内和潮湿的条件下仍具有优异的电性能，因此被广泛用来制作机械零件和齿轮、汽车外壳及电容器和其它高级绝缘材料等。聚酰胺长丝聚砜分子链中由于含有相当数量的苯环，因而降低了分子的柔顺性，增加了链的刚性和热稳定性，可在150℃下长期使用。在较高的温度下聚砜材料仍能保持在常温下所具有的各种机械性能和硬度，这是一般工程塑料比不上的。（表9.2）给出了一些工程塑料的性能。2．功能高分子制备功能高分子材料的方法主要有两种。一是先合成含有功能团的单体，然后通过聚合反应得到；二是通过高分子反应，在原有的高分子链上引入功能团得到。下面对几种有重要用途或有广泛应用前景的功能高分子做简单介绍。高分子人造血管（1）导电高分子。高分子材料一般都是绝缘体例如聚乙烯或聚苯乙烯，分子链通过б键连接，电子不能移动，成为绝缘体。聚乙炔类高分子，π键共轭体系延伸到整个高分子链上，使π电子的自由行程变长，因而显现出导电性。从实用性来看，最主要的导电高分子材料有两种：①具有共轭碳链的高分子；②主链含有杂原子的共轭高分子。聚乙炔聚苯聚苯胺聚吡咯导电高分子材料与金属相比重量轻，具有高分子所特有的可挠曲性、成膜性、透明性以及粘着性。正在研究的主要应用是制作塑料电池、太阳能电池和透明电极等。聚乙炔用于塑料电池的优点是重量轻、工作电压高、输出功率大，其目标是替代笨重的铅酸电池。但聚乙炔的缺点是稳定性不好，加工性能较差。聚苯胺、聚噻吩的稳定性比聚乙炔好，已引起重视。（2）聚合物光纤。光导纤维，简称光纤，是能传递图象的纤维。光纤由透明的芯材及折射率稍低的覆盖外层组成，利用芯材与外层材料折射率的差别，光线能在芯部沿两层材料的界面以反复全反射的形式被传送。因芯材的种类不同，光纤可分为石英光纤、玻璃光纤以及聚合物光线等三类。三类光纤中，前两类传输损失小，石英和玻璃光纤分别为0.2dB·km和20dB·km-1，而聚合物光纤的损失大于100dB·km。石英光纤在长距离通讯方面已实用化，玻璃光纤在医疗方面已用于胃镜等方面。但无机光纤的缺点是不仅价格高，而且易断线、加工性能差，在通用领域进展不大。聚合物光纤光传输损失虽大，不利于远距离光通讯，但价格便宜、轻便、可挠曲性大，耐冲击强度高，加工性能好，因此在短距离通讯、光传感器等方面已实用化。从发展来看，为建立高速信息网络中心，各种通讯手段如电话、电传、电视等都可以进入网络，需进行频繁连接，聚合物光纤的优点将显现得更加突出。因此近年来，对聚合物光纤的开发研究已引起更大地关注。聚合物光纤一般是由两种不同折射率的聚合物制成的芯-鞘形复合丝。芯部为直径几十微米至几毫米的透明聚合物，鞘部为厚度十几到几十微米的聚合物，芯部较鞘部折射率高0.1左右。已达到实用化的聚合物光纤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。光纤通讯领域里，最透明的芯材是聚合物光纤研究开发的基础。用高纯度的甲基丙烯酸甲酯单体得到的聚合物，传递损失降至100～200dB·km，达到了实用化。要用氘原子取代聚甲基丙烯酸甲酯酯基上的氢原子，传递损失可降至20dB·km，但存在价格昂贵等问题。（3）高吸水性高分子材料①高吸水性高分子材料的的功能与性质。所谓高吸水性高分子材料是指具有与水接触后能迅速吸收高于自身质量若干倍的高分子材料。我们这里所要介绍的高吸水性高分子材料是指其吸水能力超过自身质量数百倍的吸附树脂，它属于功能高分子范畴。目前已经有淀粉衍生物系列、纤维素衍生物系列、聚丙烯酸和聚乙烯醇系列。高吸水性高分子材料结构上具有以下特点：i．分子中具有强吸水基团，如羟基、羧基等，聚合物分子能够与水分子形成氢键或其他化学键，因此对水等强极性物质有一定表面吸附能力；ii．聚合物为交联型高分子，在溶剂中中一般不溶，吸水后能迅速溶胀，体积增大许多倍，由于水被包裹在呈凝胶状的分子网络内部，不易流失和挥发；iii．聚合物应该具有较高的相对分子质量，分子质量增加，溶解度下降，吸水后的机械强度也增加，同时吸水能力也可以提高。②高吸水树脂的作用机理与应用。高吸水树脂中的强亲水基团与水的吸附作用强烈，很容易被水所溶胀；而交联构成的三维结构又阻止树脂的溶解，因此构成含有大量水的凝胶状物质。当受到外力或者植物吸收时，所吸附的水分可以源源不断地脱附出来。9.5复合材料复合材料中一类组分为基体，起粘接作用；另一类为增强体，起增强作用。高分子（塑料、树脂）、金属、陶瓷等材料都可以作为基体，掺入增强体后就成为复合材料了。自然界的许多物质都可以看成复合材料。竹材和木材是纤维素（抗拉强度大）和木质素（把纤维粘接在一起）的复合物；动物的骨骼是由硬而脆的无机磷酸盐和软而韧的蛋白质骨胶复合而成的既强又韧的物质。在自然界的启发下，人类利用复合原理在生产和生活中创造了许多人工复合材料。如在泥浆中掺入稻草杆，就是最原始的建筑用复合材料。现在建筑工程中用的混凝土是水泥、砂、石子组成的复合材料。轮胎是橡胶和纤维的复合体等。按增强体的形态分类，复合材料可分为：颗粒增强复合材料、夹层增强复合材料和纤维增强复合材料（图9.12）。目前发展较快的是纤维增强复合材料。要按基体分类，也可分为三类：树脂基复合材