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金属材料与人类文明

从神秘的形状记忆合金到未来能源材料的明星——储氢合金

古代陶瓷-旧貌换新颜。

从古老的材料王国到现代无机材料的辉煌。

强大的高级结构陶瓷到奇妙的功能陶瓷。

年轻的聚合物材料-各种形式

20世纪材料的新王国——现代生活中的高分子材料

功能高分子显示其神奇的力量。

高级复合材料——绝妙的工艺

新功能材料——人类文明进步的阶梯

生物材料、信息材料、环境材料、纳米材料、能源材料和智能材料。

材料——人类社会文明建筑的基石

材料科学与技术的几个活跃领域

1.生物材料:包括生物医学材料和仿生材料。

2.智能材料:如压电陶瓷、形状记忆合金等。

3.环境材料；4.纳米材料

5.功能高分子材料:吸水聚合物、导电聚合物、发光有机聚合物、聚合物形状记忆、聚合物电解质、聚合物压电、有机非线性光学材料、可降解聚合物和聚合物液晶等。

6.计算机模拟与材料设计:计算机模拟用于预测材料的结构和性能及其关系，从而实现材料设计，形成“计算材料学”。

高分子科学不仅是一门应用学科，也是一门基础学科。它是在有机化学、物理化学、生物化学、物理和力学的基础上逐渐发展起来的一门新学科。

高分子科学

高分子化学

研究聚合反应和高分子化学反应原理，选择原料，确定路线，寻找催化剂，制定合成工艺。

研究聚合物的结构与性能之间的关系，为设计和合成具有预定性能的聚合物提供理论指导，是合成与应用之间的桥梁。

高分子物理学

高分子加工

研究了聚合物加工成型的原理和工艺。

高分子科学

L 1839美国固特异发明了天然橡胶的硫化。

l 1855年，赛璐珞塑料(硝化纤维+樟脑)由英国帕克斯公司制造。

法国人德·夏尔多内发明了人造丝。

高分子概念的形成和高分子科学的出现始于20世纪20年代。

l 1920年，德国的施陶丁格发表了他划时代的文献《论聚集》，提出了高分子长链结构的概念。

一、高分子科学的发展

1909贝克兰合成酚醛树脂

1911年，英国人马修斯合成了聚苯乙烯。

合成了1912聚氯乙烯。

从1927合成了聚甲基丙烯酸甲酯。

1933高压聚乙烯出来了。

1938四氟乙烯被聚合…

齐格勒在1953低压合成聚乙烯，再用纳塔合成聚丙烯。齐格勒和纳塔获得了诺贝尔化学奖。

聚合的奇迹

塑料的发现

1869 31岁的印刷工约翰·哈亚特发明了赛璐珞。

贝克兰发明了酚醛树脂。

现代生活中的高分子材料——塑料

现代生活中的高分子材料-工程塑料

橡胶的发展

橡树的眼泪

丑陋但受欢迎的合成橡胶

现代生活中的高分子材料——橡胶

1855年，瑞士奥蒂马斯人将纤维素放入硝酸中得到硝化纤维素溶液，制成了第一根人造纤维。

1884将硝酸纤维素放入乙醇和乙醚中得到溶液，得到人造丝；

纤维的发展

功能高分子材料的发展

功能高分子材料在20世纪60年代末开始发展。

功能高分子是指具有化学反应性、催化性、光敏性、导电性、磁性、生物相容性、药理和选择性，或具有转化或储存物质、能量和信息功能的聚合物及其复合材料。

目前已经达到实用化的功能高分子有离子交换树脂、分离功能膜、光刻胶、光敏树脂、高分子缓释药物、人工器官等。

聚合物敏感元件、高导电聚合物、高分辨率分离膜、高光敏聚合物、聚合物太阳能电池等功能高分子材料即将进入实用阶段。

功能高分子材料——高吸水树脂

高吸水性树脂是一种功能高分子材料，具有优异的吸水和保水功能，可吸收自身重量的数百倍或数千倍，因而被冠之以“高吸水性”。

主要类型有聚丙烯酸酯、聚乙烯醇、醋酸乙烯聚合物、聚氨酯、淀粉接枝聚合物等。聚丙烯酸酯是由丙烯酸和苛性钠通过逆聚合制成的。

可制成女性卫生巾、婴儿尿布、餐巾纸等。此外，它还可用作室内空气芳香剂、蔬菜和水果的防腐剂、防霉剂、阻燃剂、防潮剂和吸水后膨胀的儿童玩具。

目前全球总产能已超过654.38+0.3万吨/年，其中日本触媒化学公司是全球最大的生产公司，产能为25万吨/年。

高分子膜是指由具有特殊分离功能的高分子材料制成的，能够选择性分离物质的膜。目前，它们被用于海水淡化、反渗透、膜萃取、膜蒸馏等技术领域。

聚合物分离膜

建于沙特阿拉伯的Kita水厂是世界上最大的海水淡化厂，日供应淡水12000吨，主要采用醋酸纤维素分离膜装置。

以光敏树脂为代表的光敏高分子材料，主要应用于摄影、印刷制版、印刷集成电路。

聚乙烯醇酯用于印刷工业，在光照下交联但不溶而残留，获得浮雕。

光解光刻胶，重氮醌附着在酚醛树脂上，在光的作用下保存图像，分辨率为10 nm。

光敏聚合物材料

1950年，人们开始佩戴由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成的隐形眼镜，这种材料具有优良的光学性能，可以矫正角膜散光。1960年，捷克学者用十年时间发明了软性隐形眼镜的材料，即聚甲基丙烯酸2-羟乙酯(HEMA)，一直沿用至今。

功能高分子材料-隐形眼镜

在塑料中加入蓄光发光材料可以制成发光塑料。发光塑料是近年来高附加值的新型功能材料。其产品有:车道标志、楼梯标志、标志线；夜光涂料、夜光开口、夜光壁纸、工艺品、玩具、运动休闲用品。

功能高分子材料-发光材料

导电聚合物自发现以来，已成为材料科学的研究热点。目前，它已成为一个新兴的交叉学科研究领域，吸引了世界各地大量的材料设计专家。

功能高分子材料-导电高分子材料

液晶聚合物作为一种新型高性能材料，引起了科学界和工业界的极大关注，并得到了广泛应用，发展成为高分子科学中最活跃的领域之一。

液晶聚合物

竹地板

地毯可以选择耐用的羊毛制品或者宠物地毯。

主要使用水性涂料、粉末涂料和辐射固化涂料。

户外景观产品:由可回收塑料制成的长椅、桌子和交通标志。

绿色建筑材料

生物可降解聚合物材料

目前，自然界存在“白色”(塑料)和“黑色”(橡胶)废物。开发可生物降解产品是必要和迫切的，但许多具体问题无法解决。

1，可降解塑料袋承载力低；2.可降解塑料袋暗淡发黄，透明度低；3.价格高，成本难以接受。

一次性医疗用品，如输液管、药瓶、医用粘合剂等。诊断仪器，例如皮疹检测器、内窥镜和各种其他诊断仪器。

体外装置，如假肢、血液透析或灌注装置。

人体器官如心脏导管、心脏补片、人工心脏泵材料、气管导管、人工膀胱、人工脑膜、动脉补片、人工血管和人工关节。

面部整形植入物等整形手术材料。

生物降解材料是指那些能被体液、酶或微生物分解的材料，用于缝合线、人体植入物、控释药物等。

医用高分子材料的种类

人工心脏

生物材料

人工关节

人工肾

独特的复合材料

碳纤维复合材料

玻璃钢复合材料

迄今为止，诺贝尔高分子科学奖获得者。

H.施陶丁格(德国):将“高分子”的概念引入科学领域，建立了高分子溶液粘度与分子量的关系(1953诺贝尔奖)。

K.齐格勒(德国)，G .纳塔(意大利):乙烯和丙烯的配位聚合(1963诺贝尔奖)

页（page的缩写）J. Flory(美国):聚合原理，聚合物物理性质与结构的关系(1974诺贝尔奖)。

H.白川英树·白川(日本)、艾伦·G·麦克德尔米德(美国)、阿兰·J·黑格(美国):导电聚合物的发现和发展(2000年诺贝尔奖)。

德·根尼斯(法国):软物质，普遍性，尺度，魔梯。

2.中国聚合物的科学发展

l中国的高分子研究始于20世纪50年代初，唐敖庆于1951发表了第一篇高分子科学论文。

l长春华英研究所1950开始从事合成橡胶工作(王佛松、沈志全)；

l冯新德20世纪50年代在北京大学设立高分子化学专业。

20世纪50年代中期，林冰在南开大学研究离子交换树脂。

l钱仁元于1952在华英学院成立高分子物理研究组，研究高分子溶液的性质。

早在20世纪50年代，钱就开始在研究所研究高分子的粘弹性和辐射化学。

50岁初，徐彪先生开始在成都理工学院(四川大学)攻读塑料工程专业。

l王宝仁先生1952上海有机科学研究所成立PMMA和PA6研究组。

中国及高分子领域中科院院士:王宝仁、冯新德、何、钱、钱仁元、于同寅、徐伟、王佛松、程荣时、黄、卓、、安、沈志全、白春礼、周其凤、曹勇、杨郁亮等。

21世纪的高分子科学

在人类历史上，几乎没有一门科学技术像高分子科学一样对人类社会做出如此巨大的贡献。21世纪伊始，高分子科学及其相关技术面临着新的机遇和挑战。

面临机遇和挑战的一些领域:

1.催化过程和新的聚合方法

2.非线性结构聚合物

3.超分子组装和高度自组织的大分子

4.聚合物结晶和形态工程

5.刺激响应聚合物

6.聚合物的回收和处理

高分子材料的发展方向

1.高性能

2.高功能性

3.合成

4.精炼

变得聪明

要注重学习、跨学科、独立思考和自主创新，解决生产实践中的学术问题，提高高分子科学的学术水平，为国民经济发展服务。

从上述材料的发展可以看出，科学发展是无止境的，暂时的满足和安于现状会导致落后，不断的进步和创新。

人类需求是推动科学发展的动力

高分子物理的教学内容是揭示高分子材料结构与性能之间的内在联系和基本规律。

聚合物结构是聚合物性能的基础，性能是聚合物结构的反映，聚合物的分子运动是结构和性能之间的桥梁。即通过对分子运动的了解，建立结构与性能的内在联系，掌握结构与性能的关系。通过合成、改性和加工来提高聚合物的性能以满足需要，为聚合物分子设计和材料设计奠定了科学基础，为高分子材料的合成、加工、成型、测试和应用提供了理论依据。

二、高分子物理的教学内容

聚合物的链结构

聚合物的凝聚结构

高分子溶液

分子量和分子量分布

聚合物的转化和松弛

橡胶弹性

聚合物的粘弹性

聚合物的屈服和断裂

聚合物的流变性质

聚合物的其他性质

二、高分子物理的教学内容

高分子结构:包括高分子链结构和凝聚结构、链段、柔性、球晶、片晶、分子量和分子量分布、θ溶液概念。

高分子材料的性能:机械性能、热学、电学、光学和磁学性能。机械性能包括拉伸性能、冲击性能、龟裂、剪切带、强度和模量。

聚合物的分子运动:玻璃化转变，粘弹性，熵弹性，结晶动力学，结晶热力学，熔点，流变性质，粘度，非牛顿流体。

WLF方程，Avrami方程，橡胶状态方程，玻尔兹曼叠加原理。

高分子物理的主要内容

聚合物结构与性能的关系

如何研究方法

结构:长链，弹性，缠结，片段运动

性能:重量轻，易着色，韧性好，耐腐蚀，

易于加工、减震、生物相容性和易于剪裁。

为什么研究的目的

指导大分子设计

引导加工

开发聚合物材料

1.聚合物结构的特征(与小分子相比)

①聚合物的链状结构:聚合物由大量的结构单元组成(103-105)。

②高分子链的柔性:高分子链的内旋转产生许多构象(如DP=100的PE，构象数为1094)，可使主链弯曲，具有柔性。

③聚合物结构具有多分散性和异质性。

④聚合物凝聚态结构的复杂性:结晶、无定形、球晶、串晶、单晶、直链晶等。其凝聚态结构对高分子材料的物理性能有很大影响。

聚合物材料(塑料、橡胶、纤维)具有以下优点:

①重量轻，相对密度低。低密度聚乙烯(0.91)，聚四氟乙烯(2.2)

②良好的电气性能和绝缘性能。

③优异的保温性能，保温材料。

良好的化学稳定性和耐化学溶剂性。

良好的耐磨性和抗疲劳性。橡胶是轮胎不可替代的材料。

良好的自润滑性，用于轴承和齿轮。

⑦良好的透光性。树脂光盘，树脂镜片。

⑧广泛的机械选择性。

⑨原料来源广泛，加工成型方便，适合批量生产，成本低。

⑩装修漂亮。可以随意上色装饰。

2.聚合物材料的性能特征

性质和用途

塑料

仙味

橡胶橡胶

涂层材料

粘着剂

官能高聚物

基于聚合物的塑料或刚性材料，有或没有添加剂和填料。

具有可逆变形的高弹性材料。

纤细柔软的丝，长度至少是直径的100倍。

涂在物体表面形成坚韧薄膜的高分子材料，起到装饰和保护作用。

一种聚合物材料，可以通过粘合将两个或多个物体连接在一起。

具有特殊功能和用途但用量少的精细高分子材料。

3.高分子材料的应用

农用塑料:①薄膜②灌溉管

建筑行业:①给排水管道用PVC，塑料门窗用HDPE，③油漆涂料。

④复合地板，家具和人造木材，地板⑤PVC吊顶。

包装行业:①塑料薄膜:PE、PP、PS、PET、PA等。

②中空容器:PET、PE、PP等。

③泡沫塑料:PE、PU等。

汽车行业:塑料件、仪表板、保险机、油箱内饰、坐垫等。

军事工业:飞机和火箭的固体燃料(低聚物)，复合纤维等。

3.高分子材料的应用

高分子材料广泛应用于各行各业，包括包装、农林牧渔、建筑、电子电气、交通运输、家庭日用、机械、化工、纺织、医疗保健、玩具、文教办公、家具等。

电气行业:①绝缘材料(热导率、电阻率)、导电聚合物等。

②电子类:通讯光纤、电缆、电线、光盘、手机、电话。

③家用电器:外壳、内胆(电视、电脑、空调)等。

医疗卫生应用:人工心脏、人工器官、人工肾脏(PU)、

人工肌肉，输液管，血袋，注射器，

可溶性缝合、药物释放等。

防腐蚀工程:耐腐蚀、防腐蚀的结构材料，如聚四氟乙烯；

长期在230 ~ 260℃工作，适用于温度高、腐蚀严重的产品。

功能高分子:离子交换树脂，高分子分离膜，高吸水树脂，

光致抗蚀剂，光敏树脂，医用聚合物，液晶聚合物，

高导电聚合物、电致发光聚合物等。

3.高分子材料的应用

4.高分子物理知识，解决实际生产问题

①分子量和分子量分布影响高分子材料的性能:

高分子量:材料强度高，但加工流动性差，分子量要适中。

分子量分布:A纤维，分布窄，高分子量组分对强度性能不利。

b橡胶:平均分子量大，加工难度大。所以塑化后分子量降低，分布变宽，起到塑化作用。

②凝聚态结构影响高分子材料的性能；

结晶使材料变得坚固、易碎和坚韧。

此外，球晶大小也影响性能，球晶不宜过大。

可以加入成核剂以减小球晶尺寸；改变结晶温度，成核更多。

③加工工艺影响高分子材料的性能:

粘度低，易于加工。聚碳酸酯，改变温度，降低粘度。聚乙烯:改变螺杆转速，增加注射压力和剪切力→降低粘度。

5.如何学好高分子物理

高分子物理内容多，概念多，线索多，关系多，数学推导多。抓住高分子结构与性能关系的主线，以分子运动和热转变为桥梁，链接结构与性能的关系，将零散的知识融为一体。

上课认真听讲，注意概念，方法，总结规律。

要注意培养自学能力，课内课后认真阅读，独立思考，自己推导例题和习题。

启发式教学方法，废除了以往的注射式教学方法。

[1]何满军，陈，董希霞，高分子物理，上海，复旦大学出版社，1990。

[2]马德柱、何平生等。，聚合物的结构与性能，北京，科学出版社，1995。

[3]B.Wunderlich，大分子物理学，学术出版社，纽约，1973。

[4]P. J. Flory，高分子化学原理，康奈尔大学。新闻，纽约，1953。

[5]de Genes P. G .，高分子物理中的标度概念，康奈尔大学。新闻，纽约，1979。

[6]施特罗布尔,《聚合物物理学》,施普林格出版社，1996。

祝你好运！！