化学与新材料

关于化学与新材料25.04.20242

现代高科技(modernhigh-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.第2页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202431.材料科学与工程

(materialsscienceandengineering)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.第3页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.20244性能(properties)使用效能(performance)合成与制备(synthesisandprocessing)组成与结构(componentsandstructure)

构成材料科学与工程的四组元四面体关系第4页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.20245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、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.第5页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.20246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,决定材料的性能和使用效能.第6页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.20247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.第7页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.20248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.第8页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.20249

材料科学与工程是多学科交叉第9页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202410材料的选择(materialsselection)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&可用性第10页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202411材料的性质(propertiesofmaterials)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第11页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202412材料的分类(classificationofmaterials)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、磁热生物材料第12页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.2024132.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.

第13页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202414

合金的基本结构类型(alloys)P291~297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.第14页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202415

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铝合金,其制品的强度和钢相近,而质量仅为钢的1／4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8％~16％.如B737可减重2178kg,B747SP可减重4200kg.第15页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202416

轻质合金(lightalloys)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,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.第16页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202417

形状记忆合金(shapememoryalloy)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.第17页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202418贮氢合金

(hydrogenstoragealloy)

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有极为广泛的应用前景.第18页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202419耐热合金

(heatresistantalloy)一般金属材料的长期使用温度500~600℃,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ⅤB~ⅦB和Ⅷ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.第19页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202420低熔点合金(lowmeltingalloy)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.

第20页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202421耐腐蚀合金(corrosion-resistantalloy)

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,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.第21页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202422磁性材料

(magneticmaterials)

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.

第22页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202423永磁合金

(permanentmagnetalloy)

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

SmCo5Sm2Co17Nd-Fe-B

Sm2Fe17N2Pr-Fe-B-Cu

第23页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202424巨磁阻效应

(giganticreluctanceeffect)

在一定磁场下材料电阻改变的现象称磁电阻.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11Gbit/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.第24页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202425非晶态金属(amorphousmetal)

将某些金属熔体,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.第25页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.2024263.无机非金属材料

(inorganicnonmetalmaterials)除金属以外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.第26页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202427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:

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、III~V族及II~VI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.第27页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202428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.第28页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202429硅氧骨架结构岛状三方环四方环六方环第29页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202430硅氧骨架结构单链双链第30页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202431硅氧骨架结构长石架状

石英架状

层状第31页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202432层状硅酸盐矿物滑石高岭土白云母蛇纹石第32页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202433架状硅酸盐矿物长石沸石第33页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202434链状、环状硅酸盐矿物碌帘石电气石辉石硅灰石硅线石第34页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202435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而成.

组成为质量分数:62~67%CaO+20~24%SiO2+4~7%Al2O3+2~5%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”.第35页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202436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.

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,1100~1200℃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.第36页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202437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℃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.第37页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202438精细陶瓷(advancedceramics)

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.第38页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202439精细陶瓷(advancedceramics)

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.

传感材料第39页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202440半导体材料(semiconductingmaterial)

半导体材料:室温电阻率为10-4~1010·cm,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.第40页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202441超导材料(superconductingmaterials)

超导电性:

某些材料随温度降低,电阻率下降,在某一特定温度附近,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.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.第41页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.2024424.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.第42页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202443术语（Nomenclatures）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.Polymermolecule(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.第43页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202444第44页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202445

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,同时也是确定高分子加工成型工艺的依据.第45页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202446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．交联网状结构第46页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202447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T>Tf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T<Tg时,聚合物呈玻璃态

(玻璃状坚硬固体),如常温下的塑料;

当Tg<T<Tf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.第47页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202448聚合物分子内与分子间相互作用力

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:

(CH2—CH)nCOO-H+(CH2—CH)nNH+OH-聚丙烯酸聚丙烯胺第48页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202449

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”(metallocenepo1ymer)中可以说存在金属键．第49页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202450

范德华力

作用能:2~8kJ/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次方成反比;r第50页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202451

氢键

氢键是与电负性较强的原子相结合的氢原子(如X—H)同时与另一个电负性较强的原子(如Y)之间的相互作用，即(X—H…Y)．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，X—H基本上是共价键，而H…Y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X—H间的静电吸引相互作用.

氢键的键能:13~29kJ/mol.

氢键键长:0.24~0.32nm.

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．第51页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202452高分子链的近程结构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

聚乙炔链结构单元:第52页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202453[CF2—CF2]n

聚四氟乙烯[CH2—CH=CH—CH2]n

聚丁二烯[CH2—CH=C—CH2]n

聚异戊二烯

CH3尼龙-6,6聚丙烯氰聚对苯二甲酸乙二醇酯聚酰亚胺第53页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202454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.第54页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202455基于结构的高分子均链高分子(homochainpolymer）

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,PA等第55页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202456

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.第56页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202457

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．第57页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202458ImportantPropertiesofPolymers低密度(Density:Low–lightweight)良好绝缘(Goodelectrical&thermalinsulators)易变形和加工(Flexible&subjecttodeformation)耐热温度低(ThermalTransitions:~100oC)

机械强度(mechanicalstrength)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.第58页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202459高分子材料的制备聚合物直接应用于精细高分子领域（如涂料、黏合剂、油墨、各种助剂等）原料准备和精制配料聚合反应合成聚合物：聚合物溶液、聚合物乳液等第一层次聚合物分离干燥的粉状、粒状或块状聚合物第二层次聚合物后处理：洗涤、干燥、造粒或压块、包装等聚合物成型加工助剂成型的聚合物：塑料、橡胶或纤维第三层次第59页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202460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-CH3COOCH3

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.第60页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202461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(CH2)4CH2NH2的缩聚产物:nH2N(CH2)6NH2+nHOOC-(CH2)4COOHHO[C(CH2)4-C-NH-[(CH2)6-NH]nH+(n-1)H2OOO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.第61页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202462

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塑料耐热工程塑料重要高分子材料第62页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202463

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.第63页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202464

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OCH2CH2第64页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202465导电高分子材料

ElectricallyConductivePolymerMaterials有机高分子磁性材料

OrganicPolymericMagneticMaterials介电高分子材料（高分子电绝缘材料）

DielectricPolymerMaterials高分子光导材料

PhotoconductivePolymers

功能高分子材料第65页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202466高分子太阳能转换材料PolymericSolarEnergyConversionMaterials高分子驻极体PolymericElectrets

高分子压电材料

PolymericPiezoelectricMaterials高分子透明材料PolymericTransparentMaterials高分子非线性光学材料PolymericNonlinearOpticalMaterials第66页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202467高分子光导纤维

PolymericOpticalFibers高分子固体电解质SolidPolymerElectrolytes高分子烧蚀材料

AblativePolymerMaterials高吸水高分子材料

PolymericSuper-AbsorbentsofWater高分子液晶材料

LiquidCrystallinePolymers第67页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202468缓释高分子材料

PolymericMaterialsforControlledRelease高分子减阻剂

PolymerDragReducers

酶固定高分子材料

EnzymeImmobilizedPolymericMaterials高分子模拟酶PolymericMimicEnzyme生物降解高分子材料

BiodegradablePolymericMaterials第68页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202469生物医学高分子材料

BiomedicalPolymers离子交换树脂

IonExchangeResin高分子分离膜

PolymericMembraneforSeparation高分子屏蔽材料

PolymericShieldingMaterials高分子阻尼材料

PolymericDampingMaterials高分子密封材料

PolymericSealingMaterials第69页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202470高分子摩擦材料

PolymericFrictionMaterials高分子形状记忆材料

PolymericShapeMemoryMaterials高分子隐身材料

PolymericStealthMaterials高分子催化剂

PolymerCatalysts高分子封装材料

PottingPolymerMaterials第70页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202471聚合物改性

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或PE等.第71页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202472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.第72页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.2024735.复合材料

金属材料易腐蚀;高分子材料易老化,不耐高温;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.第73页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202474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.第74页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202475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.

钛基复合材料第75页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.202476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.第76页,共90页，2024年2月25日，星期天25.04.2024776.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