大学化学课件：第七章 化学与材料

1、第七章 化学与材料chemistry and material7-1 材料的概述材料：材料是指人类制作物品、器件、构件和机器或其它有用物品的物质。材料是一切科学技术发展的基础，是人类文明进步的里程碑化学是材料发展的基础。化学是在分子、原子、离子的层次上研究物质结构、组成、性质、变化及应用的科学。材料的分类传统上根据材料的成分与特性，把物质分为无机材料（金属材料和无机非金属材料）、有机高分子材料和复合材料依据材料的用途，通常将材料分为结构材料和功能材料两大类。结构材料是指利用材料具有的力学和物理、化学性质，被广泛用于机械制造、工程建设、交通运输及能源等部门的材料。功能材料是指利用具有的某种声、光

2、、电、磁和热等性能，应用于微电子、激光、通讯、能源和生物工程等许多高新技术领域的材料。智能材料是功能材料的最新发展，它具有环境判断功能、自我修复功能和时间轴功能，智能材料被誉为21世纪材料。7-2 无机材料金属材料无机非金属材料无机功能材料纳米材料粉末冶金法7-2-1 金属材料金属材料可分为黑色金属材料和有色金属材料两大类。黑色金属材料包括铁、锰和铬以及它们的合金。除黑色金属外的其他各种金属及其合金统称为有色金属。有色金属品种繁多，又可细分为轻金属、重金属、高熔点金属、稀土金属、稀散金属和贵金属7-2-1-1 钢铁（1）钢铁是使用最广泛的一类黑色金属材料，其消耗量约占金属材料的90。其冶炼方法

3、是用焦炭高温还原精选过的氧化铁矿石，冶炼时还需加入一定比例的石灰石作助熔剂造渣，其主要反应如下：铁水中含34%的C，以Fe3C形式存在7-2-1-1 钢铁（2）铁水以不同方式冷却，可以得到性质不同，用途也各不相同的生铁。当铁水缓慢冷却时，Fe3C分解为铁和石墨，因其断口为灰色被称为灰口铁；若将铁水骤冷，Fe3C来不及分解，其断口为白色故称为白口铁。钢铁是铁碳合金的总称。钢铁中含碳2的叫生铁， 0.02的叫纯铁，介于二者之间的称为钢。其中含碳0.020.25的称为低碳钢，介于0.250.60的称为中碳钢，含碳量在0.602的称为高碳钢。7-2-1-1 钢铁（3）纯铁的晶体结构碳在钢中存在的方式是

4、间充在铁晶格的空隙中，形成间隙合金结构。碳在钢中能够以4种方式间充在铁的金属晶格中，形成奥氏体、渗碳体、马氏体、铁素体4种物相。体心立方面心立方体心立方C的可能位置金属的腐蚀与防止当金属与周围介质接触时，由于发生化学作用或电化学作用而引起的破坏叫做金属的腐蚀。 估计每年腐蚀而报废的钢铁设备相当于钢铁年产量的1/4,发达国家年经济损失占GDP的34%。因此在了解金属腐蚀机理的基础上懂得如何防止金属腐蚀和了解如何进行金属材料的化学保护十分必要。 金属腐蚀的本质都是金属原子失电子被氧化的过程。 钢铁的腐蚀钢铁的腐蚀：指钢铁和周围介质接触时，由于发生化学作用或电化学作用而引起的破坏。根据腐蚀发生的机理

5、不同，可分为：化学腐蚀：指单纯由化学作用而引起的腐蚀。电化学腐蚀：指当金属与电解质溶液接触时，由于电化学作用而引起的腐蚀。腐蚀的分类 金属与周围介质直接发生氧化还原反应而引起的腐蚀叫化学腐蚀。1.化学腐蚀 化学腐蚀发生在非电解质溶液中或干燥的气体中，在腐蚀过程中不产生电流。如：钢铁的高温氧化脱碳、石油或天然气输送管部件的腐蚀等。化学腐蚀原理比较简单,属于一般的氧化还原反应。化学腐蚀反应示例1)钢铁的高温氧化:高温高温致密疏松，易龟裂，向纵深腐蚀 2)钢的脱碳。O2,H2OCO钢的脱碳原理示意图金属与周围介质发生电化学作用而引起的金属腐蚀。例如,钢铁在潮湿的环境中生锈,发生的就是电化学腐蚀。 较

6、小的金属易失电子，被氧化而腐蚀，是腐蚀电池的阳极（也称负极）。电化学腐蚀比化学腐蚀普遍得多,腐蚀的速率一般也快得多。2. 电化学腐蚀1）析氢腐蚀在酸性较强的条件下钢铁发生析氢腐蚀,电极反应为:阳极:Fe2e-=Fe2+阴极:2H+2e-=H2 在弱酸性或中性条件下钢铁发生吸氧腐蚀,电极反应为：阳极:Fe-2e-=Fe2+阴极:2H2O+O2+4e-=4OH吸氧腐蚀比析氢腐蚀更为普遍。2）吸氧腐蚀相关题型：1、分别写出铁在微酸性水膜中，与铁完全浸没在稀硫酸（1mol/L）中发生腐蚀的两极反应。2、什么是电化学腐蚀？以钢铁为例，说明电化学腐蚀的机理。 3、据估计，每年腐蚀而报废的钢铁设备相当于钢铁

7、年产量的1/4,发达国家年经济损失占GDP的34%。请描述在酸性的雨水中造成钢铁腐蚀的两种主要类型，并用化学反应式表达出来 铁制水管接头处易受腐蚀，是电化学腐蚀。阳极（Fe）：Fe=F2+2e阴极（Cu）2H+2e=H2或O2+2H2O+4e=4OH-前者是电化学腐蚀，后者是差异空气腐蚀（浓差腐蚀）。4、铜制水龙头和铁制水管接头处，哪个部位容易遭受腐蚀？请指明机理并写出反应式。这种腐蚀现象与钉入木头的铁钉的腐蚀，在机理上有什么不同？ 金属腐蚀的防止1.改变金属的内部结构：例如，把铬、镍加入普通钢中制成不锈钢。2. 保护层法：例如，在金属表面涂漆、电镀或用化学方法形成致密而耐腐蚀的氧化膜等。如白

8、口铁(镀锌铁)、马口铁(镀锡铁)。3.缓蚀剂法:在腐蚀介质中，加入少量能减小腐蚀速率的物质以防止腐蚀的方法。 (1)无机缓蚀剂：在中性或碱性介质中主要采用无机缓蚀剂，如铬酸盐、重铬酸盐、磷酸盐、碳酸氢盐等。主要是在金属的表面形成氧化膜或沉淀物。 (2)有机缓蚀剂：在酸性介质中，一般是含有N、S、O的有机化合物。常用的缓蚀剂有乌洛托品、若丁等。 (3)气相缓蚀剂：如亚硝酸二环己烷基胺给机器产品（尤其是精密仪器）的包装技术常带来重大革新。4. 阴极保护法 将被保护的金属作为腐蚀电池或电解池的阴极而 不受腐蚀 。它一般分为牺牲阳极保护法和外加电流法 。(1) 牺牲阳极保护法 用较活泼的金属或其三元合

9、金如(Zn、Al)连接在被保护的金属上，被保护的金属作为腐蚀电池阴极而达到不遭腐蚀的目的。(2) 外加电流法 将被保护金属与另一附加电极作为电解池的两个电极。被保护金属作为电解池阴极，在直流电的作用下阴极受到保护。 利用电解装置,只要外加电压足够强,就可使被保护的金属不被腐蚀。此法可用于防止土壤、海水和河水中金属设备的腐蚀。 外加电流法示意图钢铁的防腐钢铁的防腐覆盖层法：常见的方法，指在金属表面涂上涂料、过塑、搪瓷、镀上耐腐蚀的金属，金属表面的化学处理均属此方法。阴极保护法：被保护的金属（Fe）作为阴极而不遭受腐蚀，此法分为牺牲阳极保护法和外加电流保护法。阳极保护法：与阴极保护相反，是把直流电

10、源的正极与被保护的金属相连，适用于阳极氧化后能成钝态的金属。 缓蚀剂法：在腐蚀介质中，加入少量能减少腐蚀速率的物质（叫缓蚀剂）以防止腐蚀的方法叫做缓蚀剂法。7-2-1-2 特种合金特种合金是指具有特殊功能，在特殊条件下作结构材料使用的一种合金，如轻质合金、硬质合金、高温合金、低温合金等，虽然使用量较小，但是属于极端条件下不可取代的材料，因此非常重要。轻质铝合金铝的炼制纯铝质软，不耐磨，强度低，不能作结构材料；加入一定量的铜、镁等元素可制得硬铝，主要用作建筑装饰材料等；再加入57的锌可制成被称为超硬铝的铝锌镁铜合金，这种合金硬度高，密度小，易成型，是良好的航空轻质结构材料。随着飞机性能要求的日益

11、提高，提高轻质合金综合性能，并同时降低合金密度是轻质合金的主要发展方向。铝锂合金便是在这样背景下迅速发展的一类新型轻质合金。硬质合金 硬质合金是指第4（B）、5（B）、6（B）族的金属和原子半径小的碳、氮、硼形成的间隙合金，这些合金的硬度和熔点特别高，被称为硬质合金，常用于钻头、金属切削工具等的制作。硬质合金是一种主要由不同的碳化物和粘结相组成的粉末冶金产品。主要碳化物有： 碳化钨WC、 碳化钛TiC、 碳化钽TaC、 碳化铌NbC在大部分情况下，钴作为粘结相使用。高温合金高温合金是指在6001200高温下保持较高的强度和韧性并具有抗氧化或抗腐蚀能力的合金。高温合金的基体几乎都是原子扩散能力较

12、小的面心立方结构的奥氏体，可在铁、钴或镍中加入高熔点金属制成。高温合金主要用于制造航空、舰艇和工业用燃气轮机的高温部件，还用于制造航天飞行器、火箭发动机、核反应堆、石油化工设备等。低温合金（1） 通常把常温以下直到绝对零度的温度区间称为低温。低温合金指适合在低温下使用而不至产生脆性破坏的合金。一般情况下，合金在低温下会变硬，容易产生脆硬性破坏。著名的泰坦尼克号沉船事件，就是钢在低温下发生脆性破坏的事故之一。由于那时使用的钢含硫量较高，当船在北海冰冷的海水中与冰山相撞后，发生了脆性断裂导致了本世纪最大的海难事故。低温合金（2） 能源结构的变化和科技的进步，越来越普遍地使用到液化气体。液化气体一般

13、具有极低温地沸点，如液化天然气（110K）、液氧（90K）、液氮（77K）、液氢（20K）、液氦（4K），这对生产、贮存及使用这些液化气体的构件提出很高要求。镍钢、铝合金及奥氏体不锈钢在防止低温脆性方面性能优异，可用于制造火箭、导弹和宇宙飞船的液氢、液氧及其它液体燃料贮箱及输送管道，还可作制造超导发电机和电动机的构件材料等。7-2-2 无机非金属材料无机非金属材料常被称为陶瓷材料。陶瓷材料分为传统陶瓷材料和精密陶瓷材料。传统陶瓷产品如陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、砖瓦、搪瓷等，主要是各种氧化物的烧结体；精密陶瓷可以是烧结体，亦可以是单晶、纤维、薄膜等。它们具有高强度、耐高温、耐腐蚀、并在声、光、

14、电、磁等方面有某些优良的性质。精密陶瓷成分可以是氧化物，也有氮化物、碳化物、硼化物。陶瓷材料用途极广泛，几乎遍及现代科技的各个领域。7-2-2-1 高温结构陶瓷高温结构陶瓷比镍基合金更耐高温，比高熔点金属如钼、钨等更耐腐蚀，是空间技术和能源开发的重要材料。在众多成分和用途各不相同的高温陶瓷中，最引人注目的是Si3N4，它极有可能替代单晶镍基高温合金在高于1373K温度下作陶瓷发动机材料。Si3N4中，硅、氮原子是以共价键结合，因此Si3N4具有高硬度、高强度、耐高温、热膨胀系数小等优点。氮化硅的合成方法硅氮结合法 还原氧化法 化学气相法 热分解法 制成的Si3N4粉体还需要经成型，烧结制成结构

15、陶瓷应用陶瓷刀耐磨損、耐腐蝕，不易殘留異味 高速軸承氮化硅陶瓷转子7-2-2-2 超硬陶瓷超硬陶瓷是较硬质合金性能更为优异的硬质材料。金刚石、宝石、立方氮化硼等都属超硬陶瓷，这些陶瓷如金刚石、宝石等尽管价格昂贵，但它们还是成为商品作为高速切削刀具等，用来切削高硬难加工材料。人造金刚石 金刚石不仅可作首饰，还因其具有的高硬度在工业上作硬质刀具和拔丝的磨具。工业用金刚石主要来源于人工合成，其硬度和强度不亚于天然金刚石。金刚石的合成方法有两种，一种是静水超高压高温合成法，一种是冲击波超高压高温合成法。氮化硼材料 氮化硼中BN与碳单质中CC是等电子体（总价电子数目相同，原子数目也相同的两种分子称为等电

16、子分子）。按等电子原理，它们应有相似的立方氮化硼，也有类似于石墨结构的六方氮化硼。六方氮化硼性质除导电性外，其余均与石墨极为相似，是一种具有润滑性的白色层状固体，故有白色石墨之称。它是耐高温、耐蚀、高硬度、质轻、电绝缘和化学性质十分稳定的优良材料。立方氮化硼硬度略低于金刚石，但是耐热性能好比金刚石高。人造宝石 自然界中以晶体存在的氧化铝称为刚玉。其硬度仅次于金刚石和金刚砂。刚玉中含有少量其他氧化物后，呈现不同的颜色，如含少量Cr2O3是红宝石，含少量铁和钛的氧化物是蓝宝石。人工高温烧结的氧化铝称为人造刚玉，其抗弯强度大，韧性好，但硬度较低，适用于磨削抗张强度大和有韧性的材料，如碳钢、合金钢等。

17、人造宝石也常作耐磨材料用于仪器、仪表的轴和手表中的钻石。人造宝石除有氧化铝外，还有其他元素的氧化物（ZrO）。 7-2-3 无机功能材料光电子信息材料新能源材料医用生物材料智能材料7-2-3-1 光导纤维（1）光通讯技术已进入了实用阶段。光通讯中使用的纤维总称为光导纤维。光导纤维是由中心部位的芯纤和包敷此芯纤的包皮料组成。其中芯纤的折射率要高于包皮料的折射率。这样以一定角度入射的光就可以在芯纤和包皮料的界面上发生光的全反射，使入射光几乎全部被封闭在芯纤内部，经反复曲折前进到达光的输出端。被研究的光纤材料很多，根据其成分可将其分为：氧化物玻璃光纤、非氧化物玻璃光纤和聚合物光纤。石英光纤是最具实用

18、价值的光纤，它已广泛用于各种通讯系统。石英光纤的主要成分为SiO2，还要添加少量的GeO2、P2O5及F等，以控制光纤的折射率。7-2-3-1 光导纤维（2）光导纤维传导光的能力非常强，利用光缆通信，能同时传输大量信息。例如：一条光缆通路可同时容纳十亿人通话，也可同时传送多套电视节目。光纤的抗干扰性能好，不发生电辐射，通信质量高，能防窃听。光缆的质量小而且细，耐腐蚀，铺设也很方便，因此是非常好的通信材料。目前，许多国家已使用光缆作为长途通信的干线。我国也开始生产光导纤维，并在部分城市和地区投入使用。随着时代的进步和科学的发展，光纤通信必将大为普及。7-2-3-2 红宝石激光晶体普通光源发光-受

19、激吸收和自发辐射受激辐射：处于亚稳态（E2）的原子在hv = E2 E1 的光子的诱发下向E1跃迁，并放出光子的辐射激光(a)受激吸收(b)自发辐射三能级系统四能级系统激光的应用人造卫星激光测距（SLR）利用激光杀死病人鼻癌细胞把装着光纤维的导管插入病人鼻腔内，靠光纤维所发射的激光，与一种化学物质起作用，杀死癌细胞。7-2-3-3 超导材料（1）1911年，荷兰氦液化器的发明者昂尼斯偶然发现液氦温度（4.2K）下，汞电阻突然消失的现象，由此开始了被称为超导现象的研究。进一步研究表明，要成为超导状态，温度T、磁场强度H和电流密度J都必须分别处于临界温度Tc，临界磁场强度Hc和临界电流密度Jc以下

20、。物质在超导状态下，不仅电阻为零而且其内部的磁感应强度也为零（也就是说是完全性抗磁性的）。超导体的电阻为零意味着电能在产生和输送的过程中将无电阻损耗，这是及其诱人的应用前景之一。然而液氦（4.2K）温度的苛刻使用条件则严格地限制了超导材料的普遍应用。液氮无论在价格、来源、制备还是使用上都比液氦有较大的优势。7-2-3-3 超导材料（2）所谓超导电性，是指物质在一定的温度条件下其电阻下降为零的现象。科学家们在研究超导化合物时发现，化合物内部电子的分布是不平均的，在电子分布稀少或者没有电子的地方会形成一个空穴，而这个空穴可能就是让物质具备超导能力的原因。 7-2-3-4 医用生物材料（1）生物金属

21、材料在生物医学材料中，金属材料应用最早，已有数百年的历史。唐代就用银汞合金（主要成份：汞、银、铜、锡、锌）来补牙。医用金属材料是指一类用作生物材料的金属或合金，又称外科用金属材料。它是一类生物惰性材料，除具有较高的机械强度和抗疲劳性能，具有良好的生物力学性能及相关的物理性质外，还必须具有优良的抗生理腐蚀性、生物相容性、无毒性和简易可行及确切的手术操作技术。人造髋关节的头杆部分。从股骨上端插进金属杆，杆头有一个金属头，它嵌在粘于髋骨窝中的一个塑料臼中。7-2-3-4 医用生物材料（2）生物陶瓷材料18世纪初开始应用。无毒、与生物体组织有良好的生物相容性、耐腐蚀。包括生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料三

22、大类，主要用于齿科、骨科修复和植入材料。基本都是脆性材料，容易破裂，发展方向应向开发复合（多相）生物材料以及在金属基体上加涂无机生物陶瓷涂层（薄膜）材料的方面引导。Al2O3陶瓷-金属组合全髋关节 7-2-3-5 形状记忆合金金属材料发生塑性变形后，经加热到某一温度之上，能够恢复到变形前形状的现象，叫做形状记忆效应，具有此效应的合金称为形状记忆合金。形状记忆现象的实质是合金发生了相变。形状记忆合金的低温相比高温相软得多，低温相很容易发生塑性变形而改变形状。镍钛形状记忆合金是最早开发成功的形状记忆合金，它可靠性强、功能好，但价格昂贵；价格便宜的铜基形状记忆合金如Cu-Zn-Al和Cu-Al-Ni

23、存在着可靠性差的缺点；铁基形状合金强度高、刚性好、易加工、价格便宜，是一类很有开发前途的形状记忆合金。目前还合成出一些有机高分子树脂也具有形状记忆功能，称为形状记忆树脂。分类：1)单程记忆效应形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。 2）双程记忆效应某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应 3）全程记忆效应加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应 用途：工业应用：（1）利用单程形状记忆效应的单向形状恢复。如管接头、天线、套环等。（2）外因性双向记忆恢复

24、。即利用单程形状记忆效应并借助外力随温度升降做反覆动作，如热敏元件、机器人、接线柱等。（3）内因性双向记忆恢复。即利用双程记忆效应随温度升降做反覆动作，如热机、热敏元件等。但这类应用记忆衰减快、可靠性差，不常用。（4）超弹性的应用。如弹簧、接线柱、眼镜架等。 医学应用：TiNi合金的生物相容性很好，利用其形状记忆效应和超弹性的医学实例相当多。如血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接骨板、髓内针、人工关节、避孕器、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等。 记忆合金目前已发展到几十种，在航空、军事、工业、农业、医疗等领域有著用途，而且发展趋势十分可观，它将大展宏图、造福於人类。 形状记忆合金

25、的研究、发现至今为止已有十几种记忆合金体系。包括Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn- Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、NiAl、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe -Mn-Si等 7-5-2 压电材料压电效应指对某种电介质施加应力，则出现与此力量相应的极化，在电介质的两边就会产生电压，反之对材料施加电场而产生形变。具有压电效应的材料叫做压电材料。通过压电材料可将机械能和电能相互转换。B超探头用高性能压电陶瓷晶片主要用途：高档医用B超探头材料性能：介电常数可高达5000、6000、

26、7000系列7-4 有机高分子材料 高分子化合物（macromolecular compounds）又称高聚物（polymer），其相对分子质量很大，通常大于104，键长在102104 nm间甚至更长的分子。尽管高分子化合物的分子很大，其化学组成却往往是比较简单的，一般都是由相同的结构单元重复而成。氯乙稀分子聚合形成聚氯乙烯氯乙烯称为单体(monomer)，组成高分子链的重复结构单位CH2CHCl称为链节(chain)，链节的数目n称为聚合度(degree of polymerization)。对同一种高聚物来说，n并不相同，所以高分子化合物的分子量是指平均分子量，即高分子化合物实质上是聚合度

27、不同的分子的混合物。7-4-1 加聚反应和缩聚反应由小分子单体合成聚合物的化学反应称聚合反应，聚合反应种类繁多，如果按照有无低分子物析出可分为加成聚合反应和缩合聚合反应，简称“加聚”和“缩聚”。加聚反应由一种或多种单体相互加成，或由环状化合物开环后相互结合成聚合物的反应称为加聚反应，反应过程中不产生其它副产物，生成的聚合物的化学组成与单体基本相同。发生加聚反应的一个显著特点是，参与反应的单体分子有不饱和键或具有环状结构。如乙烯类单体：X可以是H、Cl、CN或烷基、苯基等在光、热或引发剂的作用，双键中的键被打开，发生加聚反应：缩聚反应由一种或多种单体相互缩合成高分子同时析出低分子物质（如水、氨、

28、醇、卤化氢等）的反应称为缩聚反应，在缩聚反应中，由于有低分子物析出，所以缩聚物中链节的化学组成与单体不同。参与缩聚反应的单体可以是一种，也可以是多种，但都必须具有两个或两个以上能参与反应的官能团，如_OH、NH2、COOH、Cl等。己二胺、己二醇、己二酸、丙二醇、甘油、邻苯二甲酸酐等都属于这一类单体。参加反应的两种单体都只含有两个官能团时，聚合时生成线型高聚物，如己二胺和己二酸合成的尼龙-66；如果单体之一含有三个或者三个以上的官能团，则缩聚成为体形聚合物。7-4-2 高分子化合物的结构与性能结构特点高分子化合物的形状有线型结构（linear structure，包括带有支链的）和体型结构（b

29、odily structure）两种。线型高分子支链型高分子体型高分子柔顺性线型高聚物除了分子链可以运动外，分子链中的CC单键（键）能够围绕相邻单键键轴，保持一定的键角旋转。因此，一个分子链在空间可以有众多变化着的空间形态，且绝大部分呈卷曲状。若作用以外力，分子的形态会发生改变，同时引起物体外形的改变。去除外力，又能借单键的旋转运动而恢复其卷曲状态。高分子链的这种强烈卷曲倾向称为柔顺性（flexibility）。柔顺性越好，高聚物的弹性就越好。热性能（1）高聚物从固态变为液态时，一般没有确定的熔点。对于线型非晶态高聚物而言，随着温度的变化，从固态逐步软化变为液态的过程中，出现三种不同的力学状态

30、，即玻璃态、高弹态和粘流态，它们是分子处于不同运动状态的宏观表现。 TgTf 温 度 形 变 玻璃态高弹态粘流态热性能（2）玻璃态和高弹态间的转变温度称为玻璃化温度，用Tg表示；高弹态与粘流态间的转变温度称为粘流化温度，用Tf表示。人们习惯上把Tg高于室温的高分子化合物称为塑料；把Tg低于室温的高分子化合物称为橡胶；把Tf低于室温，在常温下处于粘流态的高分子化合物称为流动性树脂橡胶的Tg越低，Tf越高，其适用的温度区间越大；塑料则希望其Tg越高，Tg与Tf相差小，稳定而可塑性好体型高分子无粘流态，且Tg很高。弹性弹性是指某物体形变的可恢复性。线型高分子化合物在通常情况下总是处于能量低的卷曲状态

31、。由于分子链的柔顺性，当这种聚合物受到拉力时，卷曲的分子可以被拉直一些。这时分子的能量增高。除去拉力后，又会缩卷起来。这就使物体呈现了弹性。例如，橡胶具有良好的弹性。线型或轻度网型聚合物都有不同程度的弹性，但交联多时会失去链的柔顺性，变成僵硬且弹性差的物质。塑性线型高分子化合物加热至粘流态通过模子压制成形，冷却去压后仍保持其形状的性质叫塑性。塑料就是因为具有可塑性而得名的。反复加热冷却仍保持可塑性的线型高分子化合物称为热塑性高分子化合物，如聚乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺等，它们易于加工，可反复应用；另有一些聚合物如酚醛树脂、脲醛树脂在加热过程中会继续起变化，分子链互相交联，结果转变为失去可塑性的体型

32、结构，不能多次加热压模，这类物质称为热固性高分子化合物。机械性能主要是指抗压、抗拉、抗冲击及抗弯曲等，这些性能取决于一下因素：平均聚合度适当增大，可提高拉伸与抗冲击强度，过高不但拉伸强度变化不大，还会使Tf升高而不利于加工；高聚物分子链中含有极性基因或链间形成氢键时，都可增大分子链间的作用力而提高其拉伸强度；适度的交联可提高抗冲击强度，但过分交联则使材料变脆。如乙烯适度交联后，抗冲击强度可提高34倍。而酚醛塑料因交联程度高而变脆；高聚物中处于结晶态的分子链排列紧密，分子链间作用力较大，机械强度也较好结晶度增加，会降低高聚物的弹性和韧性，影响其抗冲击强度。 绝缘性 高分子化合物对电具有良好的绝缘

33、性，这与其结构有关。高分子化合物的分子都是由原子通过共价键结合而成的，分子中没有自由电子和离子，所以不具有离子性或电子性的导电能力。高分子化合物的大分子链呈卷曲状态，互相纠缠在一起，受热、声作用后分子不易振动起来，因而它对热、声也具有绝缘性。 化学稳定性高聚物的化学稳定性较高，许多高分子材料可以制成耐酸、碱及其他化学试剂的优良器皿。在某些物理因素（如光、热、高能射线）、化学因素（如水、氧、酸、碱）以及生物因素（霉）的作用下，很多高聚物，也会发生化学变化，这种由于环境的影响使高聚物的性能变坏的现象称为高聚物的老化。在引起高聚物老化的诸因素中，以氧、热、光最为重要,通常又以在光、热等因素的影响和促

34、进下发生氧化而降解的情况为主。为提高高聚物材料的使用价值，可采取改变高聚物结构、加防老剂（稳定剂）及在材料表面镀（或涂）膜等措施以防止老化。7-4-3 合成高分子材料合成高分子材料，具有诸如质轻、比强度大、高弹性、可塑性、透明、耐热、耐寒、绝缘、耐辐射、耐化学腐蚀，以及易于加工等诸多优异性能，而且品种繁多，合成原料丰富，因此在材料领域中占有越来越重要的地位。除橡胶外，塑料和纤维在加工成材料前的高聚物称为合成树脂，以区别于加工成型后的塑料或纤维。而有机胶粘材料、离子交换树脂、涂料也都称为合成树脂，因它们都可以树脂形式不经加工而直接使用。各类高分子材料之间并没有严格的界限。由于合成方法和工艺的不同

35、，同一种高聚物可制成不同的材料。如尼龙、涤纶可作纤维，其相应的高聚物也可制成塑料。环氧树脂既可制成胶粘剂和涂料，也可加工成塑料。塑料热塑性塑料和热固性塑料通用塑料和工程塑料工程塑料是指具有优异机械性能、电性能、化学性能及耐热性、耐磨性、尺寸稳定性等一系列特点的新型塑料，可作为工程材料或结构材料，代替金属使用。如聚四氟乙烯（PTFE）、ABS树脂、聚甲醛、聚碳酸酯等。工程塑料与金属材料相比有许多优点：容易加工；生产效率高；节约能源；绝缘性能好；质量轻，比重约1.01.4；比强度高；具有突出耐磨、耐腐蚀性等；一般可在100200以上高温下长期工作。合成纤维（1）指以合成高分子为原料，经拉丝工艺获得

36、的纤维。一般都具有强度高、弹性大、耐磨、耐化学腐蚀、耐光、耐热等特点。广泛用作衣料等生活用品。在工农业、交通、国防等部门也有许多重要应用。合成纤维的特殊性质是由它们主分子链的结构决定。首先，合成纤维一般都是线型高聚物；其次，分子链具有较大的极性，可以定向排列，产生局部结晶区，结晶区内分子间力较大，可使纤维具有一定的强度。此外，还有非定向排列的无定形区，其中分子链可以自由转动，又使纤维柔软且富有弹性。合成纤维（2）日常生活用的合成纤维主要有涤纶、锦纶、腈纶、丙纶、氯纶等品种，合成纤维除了这些品种外，还有耐高温纤维（芳纶1313）、高强力纤维（芳纶1414）、高温耐腐蚀纤维（氟纶）、耐辐射纤维（聚

37、酰亚胺纤维）以及弹性纤维（氨纶）。 在高分子链中引入苯环，则分子的柔顺性减少，结晶度增大，如若分子链间存在氢键的话，则分子间力更大，纤维的强度更高。合成橡胶Tg低于室温，且在 50100内不失弹性的高聚物称为橡胶。橡胶有天然橡胶和合成橡胶。合成橡胶一般是轻度交联的线型高聚物，具有优良的伸缩性、良好的储能能力和耐磨、隔音、绝缘等性能。橡胶之所以有这些特殊性能，是因为其分子结构具有三个特点：一是分子的柔顺性好；二是分子链间仅有弱的作用力；三是分子链中含有容易进行交联的基团（如不饱和双键）。橡胶分为通用合成橡胶和特种合成橡胶两大类。7-5 功能材料功能材料的品种很多，重要的有：形状记忆合金、减振合金

38、、贮氢合金、超导材料、液晶材料，光导纤维、分离膜、医用聚合物材料，还有其他加磁功能材料、声功能材料、光功能材料，以及用于功能转换的热电材料、压电材料、光电材料、热释电材料、磁光材料、电光材料、声光材料等。这些材料的成分有的是无机的，有的是有机的,还有是无机有机的复合体，它们广泛用于人们日常生活、现代工业及现代科技等各个方面。7-5-6 磁存储材料电脑正逐渐进入人们的家庭，未来的人们将越来越多地依赖电脑进行工作。存储器是电脑的关键部件。磁性材料由于其两种磁化状态很适于表示数字电子计算机所采用的二进制的0和1两个数，并且通过磁电转换便于传输，故适于制作存储器。磁泡存储器是一种有希望的存储器。所谓磁

39、泡，实际上是一种圆柱形磁单元（或磁畴）。7-5-7 吸声材料吸声材料的功能是把声能转换成热能。可用作吸声材料的有纤维材料、泡沫材料、粉刷和涂料。纤维吸声材料可以是玻璃纤维、矿物纤维、陶瓷纤维和聚合物纤维，这些纤维在声波的作用下通过柔顺骨架内部摩擦、空气摩擦和热交换达到吸声的目的。泡沫材料可以是泡沫玻璃、泡沫陶瓷或泡沫塑料等，这些吸声材料的共同特征是多孔，孔内的空气在声波作用时发生振动，与固体发生空气摩擦损耗使声能变为热能。变热的空气受压缩再和固体发生热交换使声能进一步损耗。其他吸声材料的吸声原理也大致是声能变热的方式。7-5-8 光色材料变色眼镜是人们接触最多的光色材料。所谓光色材料是指受光照

40、射可呈现颜色，停止照射颜色又能够可逆消退的一类材料。光色材料之所以具有光致变色功能是由于材料中含有光致变色化合物，这些化合物有的是无机物，有的是有机物。无机光致变色化合物主要是因为光氧化还原反应而产生光致变色现象的。光色材料以光色玻璃用途最广，可用作眼镜镜片或窗玻璃，也可以用作全息照相的存储和显示材料。7-5-10 超细纳米材料材料绝大多数是固体物质，若用一般方法将其分散，颗粒大小只能达到微米（10-6m）级。一个颗粒包含着无数的原子和分子，虽然随着微粒变小，比表面积加大，由于表面效应增大，物质的性质有所改善，但基本上还是显示大量分子的宏观性质。20世纪80年代，德国科学家格莱特(Gleite

41、r)提出纳米晶体材料（尺寸在0.1nm到100nm之间，处在原子簇和宏观物体交接区域内的粒子）的概念，并采用人工制备首次获得纳米晶体。纳米材料由于具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应引起的奇异力学、电学、磁学、热学、光学和化学活性等特征，使其在国防、电子、核技术、冶金、航空、轻工、医药等领域具有重要的应用价值，从而掀起了纳米材料制备和研究的高潮。7-5-11 光敏性高分子光敏性高分子是一类在光照射后能快速发生化学反应，从而引起材料的物理和化学性质变化的聚合物，也称感光性高分子。这类高聚物已逐渐应用于印刷和电子工业。其原理是应用不饱和聚酯在光敏剂的作用下，受到光照射后立即发生交联

42、而不溶于溶剂。遮住未照到光即未交联的部分，可被溶剂洗去，这样感光胶底下的金属板有的地方被交联树脂所覆盖，有的则暴露出来，如再经化学腐蚀后，可制成各种微小的印刷线路板和凹凸形状不同的胶辊。7-5-12 导电高分子高分子材料具有绝缘性，这是众所周知的。但事物总有例外。70年代化学家合成了聚乙炔，发现它具有导电性能。乙炔分子中碳-碳叁键经加聚反应后得以打开，聚乙炔是一种双键、单键间隔连接的线型高分子，分子中存在共轭键体系，电子可在整个共轭体系中自由流动，因而可以导电。后来发现，将碘掺杂到聚乙炔中，导电率会大大提高。迄今为止，已知道聚吡咯、聚噻唑、聚苯硫醚等都具有导电性，并受到了人们的高度重视。导电高