高分子材料概论-第1章

材料科学与工程学院关瑞芳,高分子材料概论,教材 高分子材料基础 张留成 等 编著 化学工业出版社 参考书目 高分子化学，潘祖仁，浙江大学出版社； 高分子物理，何曼君，复旦大学出版社； 高分子化学、物理和应用基础，邓云祥 刘振兴 冯开才，高等教育出版社； 等等.,内容提要,什么是高分子？ 高分子的发展史 高分子学科的研究范围 高分子材料概论的主要内容 第一章 材料科学概述,什么是高分子？,高分子（macromolecule、polymer）,由许多结构相同的或不同的、简单的单元通过共价键重复连接而成的相对分子质量很大的化合物。,高 分 子 的 分 类,性 质 和 用 途,塑 料,纤 维,橡 胶,涂 料,胶粘剂,功能高分子,以聚合物为主要成分，在一定条件下(温度、压力等)下可塑成一定形状并且在常温下保持其形状不变的材料。,纤细而柔软的丝状物，长度至少为直径的100倍。,具有可逆形变的高弹性材料。,涂布在物体表面而形成具有保护和装饰作用膜层的材料。,能把各种材料紧密地结合在一起的物质,具有特定的功能作用，可做功能材料使用的高分子化合物。,塑料制品,化学纤维,橡胶制品,高分子发展史,高分子材料的发展历史,“高分子材料”的出现、发展几乎伴随了人类文明的全部历史。,人类使用高分子材料可以归纳为四个阶段,第一阶段,时间大约是7千年前至19世纪中叶,第二阶段,从19世纪中叶到20世纪20年代,第三阶段,20世纪30年代至60年代,第四阶段,从20世纪60年代至今,被动地使用天然高分子材料阶段。这一时期的高分子材料有，大漆及其制品、蚕丝及织物、麻、棉、羊皮、羊毛、纸、桐油等。,是对天然高分子材料进行化学改性，从而研制新材料阶段。在这阶段中，人类首次研制出合成高分子材料（酚醛树脂）。这一时期的高分子材料有，硫化橡胶，赛璐珞（硝基纤维素酯），人造丝、和电木等,人类大量研制新合成高分子材料阶段。在这一阶段，“高分子科学”概念已经诞生，大批高分子化学家投入到新聚合物的合成和新材料开发的研究领域。从而导致了至今天仍有重要意义的大批通用高分子材料的诞生。,人类对高分子材料大普及、大扩展阶段。在这个阶段，人类对上述聚合物的使用更加合理，聚合物生产的价格更为低廉，从而使高分子材料渗透到国民经济及人类生活的各个方面，使高分子材料成为了人类社会继金属材料，无机材料之后的第三大材料。,中国,率先使用了天然高分子材料 蚕丝、麻、棉、造纸、桐油,对近代高分子材料的研究和使用落后于欧、美等国 直至20世纪50年代才急起直追 目前已是世界高分子材料生产和消费大国之一。,在合成高分子材料领域做出的有国际影响的工作有：三元镍系顺丁橡胶合成和稀土催化合成顺丁橡胶，异戊橡胶研究，杜仲橡胶和反式聚异戊二烯橡胶研究，天然大漆及漆酚酞耐腐蚀涂料研究等。,80年代初，三大合成材料产量超过10亿t，其中塑料8500万t，以体积计超过钢铁的产量。,施陶丁格尔 (Hermann Staudinger) (18811965),1881年3月23日生于德国莱因兰法耳次 州的沃尔姆斯； 1907年毕业于施特拉斯堡大学，获博士学 位。同年聘为卡尔斯鲁厄工业大学副教授。 1912年于苏黎世工业大学任为化学教授。 1920年，发表“论聚合反应”的论文，提 出高分子的概念； 1932年，出版划时代的巨著高分子有 机化合物 1953年获诺贝尔化学奖； 1965年9月8日在弗赖堡逝世，终年84岁。,高分子学科的研究范围,高分子研 究,“高分子科学”研究,高分子学术性基础研究的侧面，体现了高分子研究的学术意义，加深了人类对高分子的认识，促进了“高分子材料”的创新发展。,“高分子材料”研究,高分子应用研究的侧面，体现了高分子在人类社会发展中的重要应用价值，它也是“高分子科学”研究价值的体现和“高分子科学”发展的源泉和动力。,高 分 子 科 学,高分子 化学,高分子 科学,研究高分子化合物的分子设计、合成及改性,高分子材料基础主要内容,第1章 材料科学概述 第2章 高分子材料的制备反应 第3章 高分子材料的结构与性能 第4章 通用高分子材料 第5章 功能高分子材料 第6章 聚合物共混物 第7章 聚合物基复合材料,第1章 材料科学概述,1.1 材料与材料科学 1.2 材料结构简述 1.3 材料的性能 1.4 材料工艺及其与结构和性能的关系 1.5 材料的强化机制,1.1 材料与材料科学,第1章 材料科学概述,材料,具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质,1.1.1 材料及材料化过程(材料工艺过程),Al2O3,单晶,宝石或激光材料,多晶,集成电路的放热基板材料,高温电炉用的炉管,切削用的工具,多孔多晶体,催化剂载体或敏感材料,材料总是和一定的用场相联系的。同一种物质，由于制备方法或加工方法的不同，可成为用场各异的不同类型的材料。,玻璃的制备过程,由化学物质或原料转变成 适于一定用场的材料的转变过程。,为适应某种使用目的， 而对物质体系某种物性、强度、形状 所进行的种种操作或加工。,材料化过程 (材料工艺过程),铸造、热处理、焊接 ；挤出、注射、热压,材 料 分 类,化学组成分类,金属材料,无机材料,有机材料(高分子材料),状态分类,气态,液态,固态,单晶材料 多晶材料 非晶材料 复合材料,作用分类,结构材料,功能材料,使用领域分类,建筑材料、耐火材料 研磨材料、电子材料 耐蚀材料、医用材料等,1.1.2 材料的类别,金属材料,利用其固有特性以纯金属状态使用,由几种金属组成或加入适当的杂质成分以改善其原有特性而使用的,富于延展性 良好的导电及导热性 较高的强度及耐冲击性。,有色金属,工业上分类?,特性,金属的键合无方向性，其结晶多为立方、六方的最密堆砌结构。,黑色金属,由无机化合物构成的材料，包括诸如锗、硅、碳之类的单质所构成的材料。,无机材料,分布广、容易采取 硬度大、性脆、强度高 抗化学腐蚀、对电和热的绝缘性好,硅酸盐材料,水泥,玻璃,陶瓷,特点,高分子材料,由脂肪族和芳香族的C-C共价健为基本结构的高分子构成的，也称为有机材料。,质轻、耐腐蚀、绝缘性好、易于成型加工，强度、耐磨性及使用寿命较差。,特点,碳链高分子、杂链高分子、元素有机高分子,按来源分类,按高分子主链结构分类,天然高分子、合成高分子,碳链高分子杂链高分子元素有机高分子,大分子主链完全由碳原子构成。绝大部分烯类和二烯类聚合物都属于这一类。常见的有聚氯乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯腈等。,大分子主链中除碳原子外，还有氧、氮、硫等杂原子。常见的有聚醚、聚酯、聚酰胺、聚脲、聚硫橡胶等。,大分子主链中没有碳原子，主要由硅、硼、铝、氧、氮、硫、磷等原子组成，但侧基却由有机基团如甲基、乙基、芳基等组成。典型的例子是有机硅橡胶。,复合材料,分类,由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质，用适当的工艺方法组合起来，而得到的具有复合效应的多相固体材料 。,特点,多相体系、复合效应,产物性能优于组成它的材料或具有新的性能,基体材料：构成连续相的材料，它把纤维或颗粒等分散材料固结成一体。 分散材料：分散于连续相中的材料,以基体为主 塑料基复合材材料、金属基复合材料等,以分散材料为主 玻璃纤维增强复合材料,基体和分散材料并用 木材-塑料复合材料,复合材料的分类,按构成原料分类,命名,表1-1 按原材料对复合材料进行的分类,按形态和性状分类,颗粒状,纤维状：钢筋混凝土、轮胎、玻璃钢,层状：压层板、包覆金属、双金属,弥散强化：10-250nm,真正颗粒状,按复合性质分类,合体复合(物理复合)：玻璃纤维增强塑料等,生成复合(化学复合)：动物、植物组织等,由于小颗粒阻碍了位错运动,因此产生显著的强化作用,少量弥散颗粒就可得到显著的强化效果,含有大量的粗大颗粒,这些颗粒并不能有效地阻止滑移,目的是为了获得不同寻常的综合性能.如陶瓷颗粒分散于金属基体中得到的硬质合金,复合材料的分类,复合材料,结构复合材料,功能复合材料,树脂基复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 水泥基复合材料 ,换能功能复合材料 阻尼吸声功能复合材料 导电导磁复合材料 屏蔽复合材料 ,复合材料的分类,结构功能复合材料,按复合效果分类,1.1.3材料科学的范畴及任务,一切技术发展的物质基础，材料的使用和发展与生产力和科学技术水平密切相关。,材料,开始形成一门以材料为研究对象，介于基础科学与应用科学之间的应用基础科学材料科学。,20世纪60年代,组成原子、分子及其运动状态与各种物性之间的关系,内容,化学组成、键性、结构与性能的关系规律,化学角度,物理学角度,材料科学是一门多学科性的综合性应用基础科学。,材 料 科 学,科学性问题,(以化学、物理学、 量子化学、物理化学 等学科为基础),现象描述,宏观现象,微观现象 迁移现象,物质合成,反应过程 相关系 化学键,物质表征,组成 结构 缺陷,技术性问题,材料制备工艺,单晶体 多晶体 非晶体 复合体,物性测试,(材料化过程),本征物性 效应物性 缺陷物性,应用,后处理 技术性测试 应用试验,1.1.3材料科学的范畴及任务,材料科学的任务,了解结构-性能-应用之间的规律关系，以满足工农业生产、国防建设和现代技术发展对 材料日益增长的需求。,材料的性能内部结构化学组成及外部条件,1.2 材料结构简述,材料 结构,宏观组织结构,肉眼或放大镜能观察到的