化学与新材料.pptx

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,化学与新材料,李侃社 赵世永,西安科技大学 化学化工学院,11/13/2025,1,1/91,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,11/13/2025,2,2/91,当代高科技(modern high-tech),信息、材料、能源、生物技术,：,社会文明支柱，科技创新主要标志,材料,人类社会发展里程碑！,新材料,当代科学技术和社会发展基础和支柱！,化学,材料科学技术理论基础.,11/13/2025,3,3/91,1.材料科学与工程,(materials science and engineering),研究材料合成与制备、组成与结构、性能及使用效能各组元本身及四者之间相互依赖关系规律,材料科学,.,研究怎样利用这些规律性研究结果以新或更有效方式开发并生产出材料,提升材料使用效能,以满足社会需要,设汁与制造材料制备与表征所需仪器、设备,材料工程,科学与工程彼此亲密结合,组成个学科整体.,11/13/2025,4,4/91,性能,(properties),使用效能(performance),合成与制备,(synthesis and,processing),组成与结构,(components and structure),组成材料科学与工程四组元四面体关系,11/13/2025,5,5/91,合成与制备,合成主要指促使原子、分子结合而组成材料化学与物理过程.既包含相关寻找新合成方法科学可题、也包含以适用数量和形态合成材料技术问题；既包含新材料合成,也应包含已经有材料新合成方法(加溶胶凝被法)及其新形态(如纤维、薄膜)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，使之含有所需性质和使用效能.,合成与制备是提升材料质量、降低牛产成本和提升经济效益关键,也是开发新材料、新器件小心步骤.,11/13/2025,6,6/91,组成和结构,组成,指组成材料物质原子、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主要影响微量添加物亦不能忽略.,结构,则指组成原干、分子在不一样层次上彼此结合形式、状态和空间分布，包含原子与电子结构、分子结构、晶体结构、相结构、晶粒结构、表面与品界结构、缺点结构等；在尺度上则包含纳米以下、纹米、微米、色米及更宏观结构层次.,材料组成与结构是材料科学与工程基本研究内容,它们指导材料合成与制备,决定材料性能和使用效能.,11/13/2025,7,7/91,性能,性能,指材料固有物理、化学特征,也是确定材料用途依据.广义地说,性能是材料在一定条件下对外部作用反应定量表述.比如,对外力作用反应为力学性能,对外电场作用反应为电学性能,对光波作用反应为光学性能等等.,11/13/2025,8,8/91,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效能.它是材料固有性能、产品设计、工程持性、使用环境和效益综合表现,通常以寿命、效率、可靠性、效益及成本等指标衡量.所以,与工程设计及生产制造过程亲密相关,不但有宏观工程问题,还包含复杂材料科学问题.比如,材料部件损毁过程和可靠性往往包括在特定温度、气氛、应力和疲劳环境厂材料中缺点形成和裂纹扩展微观机理.,材料使用效能是材料科学与工程所追求最终目标、而且在很大程度上代表这一学科发展水平.,11/13/2025,9,9/91,材料科学与工程是多学科交叉,11/13/2025,10,10/91,材料选择,(materials selection),三个主要标准,性质,机械性能+物理性能,失效性,环境原因:氧化&腐蚀,经济性,价格&可用性,11/13/2025,11,11/91,材料性质,(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,11/13/2025,12,12/91,材料分类,(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,其它,(按照用途),结构材料,功效材料,光,电、磁,热,生物材料,11/13/2025,13,13/91,2.金属材料（metals&alloys),金属材料是以金属元素为基础材料.金属单质普通有良好塑性,但其机械性能往往极难满足工程技术等多方面需要,所以,金属材料更多以合金形式使用.,因为价电子高度离域性,决定了它们含有良好导电、导热性能和易氧化腐蚀性能.,高密度,可塑性形变,加工成各种复杂形状.,高延展性,决定了含有高冲击和断裂韧性.,11/13/2025,14,14/91,合金基本结构类型,(alloys),P291297,合金是由两种或两种以上金属元素(或金属与非金属元素)组成,含有金属特征和更优异性能与使用效能材料.包含三种结构类型.,相互溶解而形成金属,固熔体,强度提升,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、结构与性能而改变,无化学相互作用,机械混合物,性能平均、熔点下降.,11/13/2025,15,15/91,轻质合金(alloys),轻质合金是由轻金属(Al,Mg,Ti,Li等)形成合金材料.,铝合金,:金属铝密度仅2.7g/cm,3,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进.,经热处理提升强度变形铝合金为,硬铝合金,其制品强度和钢相近,而质量仅为钢14左右,但耐腐蚀性较差.如Al-Cu-Mg,Al-Cu-Mg-Zn等.,用压力加工法提升强度变形铝合金称为,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/cm,3,，是铝1/5,钢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.,11/13/2025,16,16/91,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升.含有,强度高,密度小,抗磁性,耐高温,抗腐蚀,等优点,是宇航工业主要结构材料.可助人,上天入海,.,11/13/2025,17,17/91,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能力.,这类合金存在着一对可逆转变晶体结构,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觉Au-Cd合金有记忆形状特征.现已发觉有各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.,形状记忆合金含有传感和驱动双重功效,是一个智能材料,可广泛应用于宇航,自控,医疗和生活等领域.,11/13/2025,18,18/91,贮氢合金,(hydrogen storage alloy),一些过渡金属、合金和金属间化合物,因为其特殊晶体结构,使氢原子轻易进入其晶格间隙中并形成金属氢化物,氢与这些金属结协力很弱,但贮氢量很大,能够贮存比其本身体积大1000 1300倍氢,加热时氢又能从金属中释放出来.,1968年美国布鲁海文国家试验室首先发觉,镁-镍合金,含有吸氢特征,1969年荷兰菲利普试验室发觉,钐钴（SmCo,5,）合金,随即又发觉镧-镍（LaNi,5,）合金,在常温下含有良好可逆吸放氢性能,从此引发了人们极大关注.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,作为一个新型贮能材料含有极为广泛应用前景.,11/13/2025,19,19/91,耐热合金,(heat resistant alloy),普通金属材料长久使用温度500600,能在高于700 条件下工作金属合金称为,耐热合金,.“,耐热,”是指材料在高温下能保持足够强度和良好抗氧化性.,耐热合金,通常是由第,BB和族高熔点金属形成合金.,广泛应用于制造涡轮发电机,各种燃气轮机热端部件等.,包含铁基,镍基,钴基,铌基和钨基等合金.,提升钢铁耐热性路径:,设法提升金属键强度.金属键强度与原子中成单电子数相关,所以与,Cr,Mo,W等形成合金,可提升耐热性.,加入可形成,耐高温化合物如碳化物,金属,形成合金.,11/13/2025,20,20/91,低熔点合金(low melting alloy),低熔点合金,是指由低熔点金属Hg,Sn,Pb和Bi形成合金.,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冷却剂.,11/13/2025,21,21/91,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:普通是贵金属Pt,Pd,Au,Ag,Cu等.,易于钝化金属:Al,Nb,Ta,Ti,Zr,Cr等.,表面能生成难溶和保护性良好腐蚀产物膜金属.经过特定腐蚀介质来实现.,耐腐蚀合金,:抵抗介质侵蚀能力比普通金属材料更高.,与热稳定性高贵金属形成合金.,与易钝化金属形成合金.,在合金表面形成致密保护膜.,11/13/2025,22,22/91,磁性材料,(magnetic materials),磁性体,是由电磁作用而产生磁化物质.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,而且以剩下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,外部磁场微小改变即可引发磁化很大改变,为磁损失小高导磁率材料,称为软磁材料,主要用于电动机及变压器磁芯以及各种磁头材料、磁性密封材料和微波材料等.另外还有利用磁滞曲线非线性部分磁统计材料和磁存放材料以及磁致伸缩材料和磁光材料等.,11/13/2025,23,23/91,永磁合金,(permanent magnet alloy),矫顽力极大,而且以剩下磁通密度很高为特征,称为,硬磁材料或永磁材料.,最早永磁合金是含有铁磁性Fe,Co,Ni合金,.,稀土永磁合金,SmCo,5,Sm,2,Co,17,Nd-Fe-B,Sm,2,Fe,17,N,2,Pr-Fe-B-Cu,11/13/2025,24,24/91,巨磁阻效应,(gigantic reluctance effect),在一定磁场下材料电阻改变现象称,磁电阻.巨磁阻,是指在一定磁场下电阻急剧减小现象.比普通磁性合金强10多倍.,1988年巴黎大学肯特教授首次在Fe/Cr多层膜中发觉巨磁阻效应.随即在Fe/Cu,Fe/Al,Fe/Au,Co/Cu,Co/Ag和Co/Au等纳米结构多层膜中发觉了显著巨磁阻效应,.,巨磁阻效应,在高密度读出磁头,磁存放元件等高技术领域有广泛用途.,1994年IBM企业研制成功巨磁阻效应读出磁头,磁统计密度提升17倍,达5Gbit/in,2,现衣超出11 Gbit/in,2,.,巨磁阻效应,还可用于制备无电源随机存放器,微弱磁场探测器.,11/13/2025,25,25/91,非晶态金属(amorphous metal),将一些金属熔体,以极快速度急剧冷却,如10,6,K/s,无序原子被快速“冻结”而形成无定型固体,称,非晶态金属,亦称,金属玻璃.,能形成非晶态合金有两类:,金属之间合金:,如Cu,60,Zr,40,La,76,Au,24,U,70,Cr,30,等.,金属与非金属形成合金:,如Fe,80,B,20,Fe,40,Ni,40,P,14,O,6,和 Fe,5,Co,70,Si,15,B,10,等.,制备非晶态合金技术:,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;一定催化性能和贮氢能力.,11/13/2025,26,26/91,3.无机非金属材料,(inorganic nonmetal materials),除金属以外无机材料统称,无机非金属材料,.,传统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,所以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.,包含结构陶瓷,复合材料,功效陶瓷,半导体,新型玻璃,非晶态材料和人工晶体等.,11/13/2025,27,27/91,无机非金属材料特点,晶体结构,:结协力主要为离子健、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、耐腐蚀和抗氧化基本属性,以及新近发觉宽广导电、导热性和透光性以及良好铁电性、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,还包含其它含氧酸盐、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主要地应.,制备,:高纯度、高细度原料,并准确控制化学组成、添加物数量和分布、晶体结构和材料微观结构等.,11/13/2025,28,28/91,传统无机非金属材料,天然硅酸盐,:其基本结构单元为硅氧四面体(SiO,4,),4-,即硅位于四面体中心,四个氧原子位于四面体四个顶点.(SiO,4,),4-,四面体相互结合,或与金属离子形成:含有单个阴离子,链状和层状阴离子以及骨架状结构等四大类硅酸盐.,11/13/2025,29,29/91,硅氧骨架结构,岛状,三方环,四方环,六方环,11/13/2025,30,30/91,硅氧骨架结构,单链,双链,11/13/2025,31,31/91,硅氧骨架结构,长石架状,石英架状,层状,11/13/2025,32,32/91,层状硅酸盐矿物,滑石,高岭土,白云母,蛇纹石,11/13/2025,33,33/91,架状硅酸盐矿物,长石,沸石,11/13/2025,34,34/91,链状、环状硅酸盐矿物,碌帘石,电气石,辉石,硅灰石,硅线石,11/13/2025,35,35/91,水泥(cement),水泥,:是一个水硬性胶凝材料,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(有时加入少许氧化铁粉)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:,6267%CaO+2024%SiO,2,+47%Al,2,O,3,+25%Fe,2,O,3,.,水泥标号:标准试样在标准条件下,28天后强度kg/cm,2,.,特种水泥:矾土水泥,快凝快硬“双快水泥”,防裂防渗“低温水泥”,能耐1250“耐火水泥”,用于化工生产和特殊场所“耐酸水泥”.,11/13/2025,36,36/91,玻璃（glass),广义上说,凡熔体经过一定方式冷却，因粘度逐步增大而含有固体性质和结构特征非晶态物质都称为,玻璃,.,普通硅酸盐玻璃,:主要成份是SiO,2,Na,2,O和CaO等,硬而脆.,硅酸盐玻璃中Na,2,O被B,2,O,3,取代,可得到硬而耐热硅硼酸盐玻璃,最高耐温可达1600,称为,耐热玻璃.,硅酸盐玻璃中加入Li,2,O等成核剂,紫外线照射或特殊热处理,在体系中形成SiO,2,和Li,2,O微晶,得到,微晶玻璃.,强度提升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 可长久使用.,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.,11/13/2025,37,37/91,陶瓷(ceramics),陶瓷,:指以粘土为原料,调制成型,经高温烧结而制得硬而脆,耐水人工硅酸盐材料.,以粘土为原料,调制成型,低于1000,烧结得到多孔烧结体,称,陶,;以更纯粘土与几乎等量石英和长石,调制成型后,1200,煅烧,在经涂釉,升至1400煅烧,得到带有细釉“,瓷器,”.,传统陶瓷材料是复杂多晶体,是晶粒、晶界、气孔和玻璃包裹物集合体.细化晶粒,提升致密程度,减小气孔率,增加附加能量消耗材料相,可提升陶瓷强度和韧性.,11/13/2025,38,38/91,精细陶瓷(advanced ceramics),结构陶瓷,:指含有高硬、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.高纯氧化铝加入少许Y,2,O,3,和MgO等,特殊烧结,可得,透明陶瓷,.少许Cr,2,O,3,与Al,2,O,3,形成固溶体,称,红宝石,是激光材料.,氧化锆,:离子键结合,性脆.加入少许Y,2,O,3,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,可适应温度急剧改变.Si,3,N,4,可与Al,2,O,3,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,制作发烧元件.已用于制造无冷却式陶瓷发动机.,11/13/2025,39,39/91,精细陶瓷(advanced ceramics),功效陶瓷,:指以其固有特征或经过各种物理原因作用而显示某种新性能陶瓷材料.,压电陶瓷:,含有压电效应陶瓷材料.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,晶体带电大小与外力成正比;相反,在外加电场作用下,在晶体对应面上会产生形变,该现象称“,压电效应,”.,光导纤维,:光通信关键.SiO,2,和LaF,3,已实用化.,固体电解质,:AgI离子晶体,Y,2,O,3,和CaO稳定ZrO,2,Na-,b-,Al,2,O,3,等.,传感材料,11/13/2025,40,40/91,半导体材料(semiconducting material),半导体材料,:室温电阻率为10,-4,10,10,cm,依靠电子和孔穴这两类载流子迁移实现导电材料.,半导体材料类型:,元素半导体：包含Si,Ge,Sn,P,As,Se等,但实用纯单质只有Si和Ge.均使用其高纯单质,如大规模集成电路使用硅纯度超出99.9999999,现已能制得14个9单晶硅.,掺杂半导体:适当掺杂大幅度提升电导率,经过调整杂质含量控制电导率,包含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:A,x,B,8-x,(x=1,2,3),即I-VII,II-VI,III-V族元素组合,含有金刚石型或ZnS型晶体结构,以共价键为主.实用化最多是III-V型,性能最好是GaAs,亮灰,硬而脆,掺Te,得n-型,掺Zn或Cd得p-型.,缺点半导体:氧化物和硫化物,结构中存在阴离子或阳离子空位.,11/13/2025,41,41/91,超导材料(superconducting materials),超导电性:,一些材料随温度降低,电阻率下降,在某一特定温度附近,电阻突然消失现象.含有超导电性材料称,超导材料,.,荷兰物理学家H.K.Onnes:,1911年首次发觉Hg在4.15K时出现0电阻.,1973年得到Tc为23.2KNb,3,Ge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觉了Tc=35KLa-Ba-Cu-O混合氧化物.,1987年美籍华人朱经武发觉了Tc=90K超导氧化物.我国赵中贤研究组制得了Tc=93KY-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=132KBi-Pb-Sb-Sr-Ca-Cu-O超导体.,以C60为基础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,医疗卫生等领域有辽阔应用前景.,11/13/2025,42,42/91,4.高分子材料,高分子材料学科,基本任务是：研究高分子材料,合成、结构和组成与材料性质、性能之间相互关系,;探索,加工工艺和各种环境原因,对高分子材料性能影响;为改进工艺,提升高分子材料质量,合理使用高分子材料,开发新材料、新工艺和新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学科,它发展要求科学和工程技术最为亲密配合,它进步需要,跨部门、多学科最正确协调和共同参加.,11/13/2025,43,43/91,术语,（Nomenclatures）,Macromolecule(,大分子,):由大量原子组成,含有高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)组成多重重复分子.,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一个物质,它是一个聚合物质.,11/13/2025,44,44/91,11/13/2025,45,45/91,高分子材料结构与性能关系,结构决定性能，性能反应结构.,依据需要选择性能，依据性能设计结构，进而合成高分子材料，改性高分子材料.,高分子结构与性能关系及其改变规律,是高分子分子设计基础,同时也是确定高分子加工成型工艺依据.,11/13/2025,46,46/91,聚合物结构主要特点,链式结构,链柔性,多分散性,凝聚态结构复杂性,高分子链依靠分子内和分子间范德华力相互作用培砌在一起，可展现为,晶态和非晶态,交联网状结构,11/13/2025,47,47/91,线形非晶态聚合物物理形态,线形非晶态聚合物,无一定熔点,随温度改变,展现,三种物理形态,:,当TT,f,时,聚合物呈,粘流态,(能流动粘稠液体),如常温下胶粘剂或涂料;,当TT,g,时,聚合物呈,玻璃态,(,玻璃状坚硬固体,),如常温下,塑料,;,当T,g,TT,f,时,聚合物呈,高弹态,(受力形变,除力回复高弹体),如常温下,橡胶,.,11/13/2025,48,48/91,聚合物分子内与分子间相互作用力,物质结构,是指物质组成单元(原于或分子)之间在相互吸引和排斥作用到达平衡时空间诽布所以为了认识高聚物结构，首先应了解存在于高聚物分子内和分子间相互作用,化学键,组成份子原子间作用力有吸引力和斥力，吸引力是原子形成份于结协力，叫作主价力，或称键协力斥力是各原子电子之间相互排斥力当吸引力和斥力到达平衡时，便形成稳定化学键,共价键:,离子键:,(CH,2,CH),n,COO,-,H,+,(CH,2,CH),n,NH,+,OH,-,聚丙烯酸,聚丙烯胺,11/13/2025,49,49/91,离子型聚合物(ionomer),中也有离子键存在，比如以乙烯和10%左右丙烯酸共聚物为主链，以金属离子Mg,2+,为交联剂高聚物：,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,是由金属原子价电子和金属离子晶格之间相互作用而形成，无方向性和饱和性，赋予高导电性在所谓“金属螯合高聚”(metallocene po1ymer)中能够说存在金属键,11/13/2025,50,50/91,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相互作用力两分子间范德华力F(r)及相互作用能E(r)是分子之间距离r函数如图所表示.,当r=r,0,时,F(r)=0,静电力:,极性分子之间,温度T成反比,与距离7次方成反比;,诱导力:,极性分子与非极性分子之间,与温度相关,与距离7次方成反比;,色散力:,非极性分子之间,与温度无关,与距离7次方成反比;,r,11/13/2025,51,51/91,氢 键,氢键,是与电负性较强原子相结合氢原子(如XH)同时与另一个电负性较强原子(如Y)之间相互作用，即(XHY)这些电负性铰强原子普通是氮、氧或卤素原子普通认为在氢键中，XH基本上是共价键，而HY则是一个强而有方向性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Y与电偶极矩很大极性键XH间静电吸引相互作用.,氢键键能,:1329 kJ/mol.,氢键键长,:0.240.32 nm.,氢键,能够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主要作用,11/13/2025,52,52/91,高分子链近程结构,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:,11/13/2025,53,53/91,CF,2,CF,2,n,聚四氟乙烯,CH,2,CH=CHCH,2,n,聚丁二烯,CH,2,CH=CCH,2,n,聚异戊二烯,CH,3,尼龙-6,6,聚丙烯氰,聚对苯二甲酸乙二醇酯,聚酰亚胺,11/13/2025,54,54/91,聚合物分子单体,必须是双官能团,小分子,含有两个(或多个)官能末端基团,.,二元醇,二元酸,二元胺,羟基羧酸,氨基酸,硫化钠Na,2,S,三元胺,四羧酸等.,含有重键单体,: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.,11/13/2025,55,55/91,基于结构高分子,均链高分子,(homochain polymer,）,一个链原子.,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,11/13/2025,56,56/91,链结构单元键接方式,头-头,尾-尾,头-尾,经过裂解方法检测链结构单元键接方式.,11/13/2025,57,57/91,交联和枝化,HDPE,LDPE,LLDPE,高分于链之间经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聚合物它们含有不溶不熔特点，所以，可交联高聚物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高聚吻含有更优越性能，比如耐热、耐溶剂、尺寸稳定等交联聚乙烯性能相对线形和支化聚乙烯含有更高抗张强度和耐热性橡胶只有经过硫化才能形成真正弹性体橡皮,11/13/2025,58,58/91,Important 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:100,o,C),机械强度(mechanical strength),随结构不一样而改变,化学稳定性好,不腐蚀,但可氧化燃烧,空气中易老化.,11/13/2025,59,59/91,高分子材料制备,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,成型聚合物：塑料、橡胶或纤维,第三层次,11/13/2025,60,60/91,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过程.,由一个单体聚合称,均聚,.,产物称,均聚物,如乙烯聚合得聚乙烯.,由两种或各种单体加聚反应,称,共聚,.产物称,共聚物,与均聚物相比有更高性能,如苯乙烯(S)与丁二烯(B)共聚,得嵌段共聚物SBS.,加聚反应,单体必须含有不饱和碳-碳重键,.,如:,CH,2,=CH,2,CH,CH,CH,2,=C-CH,3,COOCH,3,绝大多数是不可逆反应;延长反应时间不增加Mr,但可提升单体转化率.,11/13/2025,61,61/91,高分子合成反应,缩聚反应,:低分子单体经过缩合反应形成聚合物过程,产物称缩聚物,同时有水,醇,氨,或卤化氢等析出,所以缩聚物组成与单体不一样.,如聚酰胺(PA),PA66是,HOOC-(CH,2,),4,-COOH与NH,2,CH,2,(CH,2,),4,CH,2,NH,2,缩聚产物:,nH,2,N(CH,2,),6,NH,2,+n HOOC-(CH,2,),4,COOH,HO C(CH,2,),4,-C-NH-(CH,2,),6,-NH,n,H+(n-1)H,2,O,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;延长反应时间不提升单体转化率,但可提升Mr.,11/13/2025,62,62/91,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,耐热工程塑料,主要高分子材料,11/13/2025,63,63/91,橡胶,:,使用温度范围内处于高弹态线性聚合物.在较小外力作用下,能产生很大形变,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.填充增强非常主要.,天然橡胶:橡胶树上流出胶乳,其主要成份是异戊二烯聚合体,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:最主要有:,丁苯橡胶:丁二烯与苯乙烯线性共聚物.,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:异丁烯与少许异戊二烯共聚物.,氟橡胶:分子链或侧链上有氟线性聚合物.,11/13/2025,64,64/91,粘结剂,:能将两种固体材料连接起来,含有良好粘结性能物质.,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表面,填补其凹凸不平处;,经过物理-化学作用,经固化处理,将被粘物粘结起来,含有较强附着力和内聚力.,分子链中含有极性基团-OH,-NH,2,-CN,-COOH,等聚合物普通含有较强粘结力.,性能优良有,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,O,CH,2,CH,2,11/13/2025,65,65/91,导电高分子材料,Electrically Conductive 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,功效高分子材料,11/13/2025,66,66/91,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,Polymeric Transparent Materials,高分子非线性光学材料,Polymeric Nonlinear Optical Materials,11/13/2025,67,67/91,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,11/13/2025,68,68/91,缓释高分子材料,Polymeric 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,11/13/2025,69,69/91,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,Polymeric Shielding Materials,高分子阻尼材料,Polymeric Damping Materials,高分子密封材料,Polymeric Sealing Materials,11/13/2025,70,70/91,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,11/13/2025,71,71/91,聚合物改性,高分子材料改性,是指经过各种方法改进已经有材料结构、组成,以到达改进性能,扩大品种和应用范围目标.通常包含,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,提升综合性能.,交联,反应:借助化学键形成,使线性聚合物结合成体型聚合物.如橡胶硫化.可提升材料机械强度,耐溶剂性和耐热性等.,共聚,反应:由两种或两种以上单体经过共聚生成共聚物,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,引入其它官能团,赋予聚合物材料某种功效或提升材料综合性能.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.,11/13/2025,72,72/91,聚合物改性,物理改性,:经过加入其它组分,借助于组分间物理相互作用,改进原有聚合物性能.,填充,改性:经过一定加工路径,向聚合物树脂基体中填充各种填料如CaCO,3,高岭土,滑石粉,木粉等.提升聚合物强度,降低成本.,共混,改性:不一样聚合物混合,形成“,合金”,扬长避短,增强增韧,提升性能,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一样材料合理组合制得多相材料.如玻璃纤维增强聚合物:玻璃钢,聚合物/无机物复合材料等.,11/13/2025,73,73/91,5.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,复合材料,.,复合材料大多是以连续相存在,基体材料,和分散于基体中,增强材料,组成.,增强材料:能提升材料基本力学性能物质.包含粒子和纤维.无机纳米粒子含有更高增强增韧效应;纤维含有良好刚性和抗张强度.在体系中组成复合材料,骨架,决定材料,刚性和强度,.,基体材料:使增强材料,粘合成型,且对承受外