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THE ENDTHANKS
腐蚀防护－大气、海水、工业介质腐蚀防护
摩擦磨损防护 －增加抗磨损性、润滑性
2、表面防护
作业题：1、通过查阅文献，试述金属功能材料的主要种类及应用。2、概述无机非金属材料的种类及其特点和应用。
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5. 范德华相互作用非常大，高聚物不存在气体
6. 凝聚态结构复杂
高分子链依靠分子内和分子间的范德华相互作用堆砌在一起，可呈现为晶态和非晶态。单链单晶/单链非晶态
作用能为2~8 kJ/mol，没有方向性和饱和性。
高分子结构的复杂性
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休息
THE ENDTHANKS
腐蚀防护－大气、海水、工业介质腐蚀防护
摩擦磨损防护 －增加抗磨损性、润滑性
2、表面防护
作业题：1、通过查阅文献，试述金属功能材料的主要种类及应用。2、概述无机非金属材料的种类及其特点和应用。
2018/5/8 Tuesday
101
5. 范德华相互作用非常大，高聚物不存在气体
6. 凝聚态结构复杂
高分子链依靠分子内和分子间的范德华相互作用堆砌在一起，可呈现为晶态和非晶态。单链单晶/单链非晶态
作用能为2~8 kJ/mol，没有方向性和饱和性。
高分子结构的复杂性
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2018/5/8 Tuesday
材料科学与工程基础
无机材料杜明亮联系方式：[email protected]
2
中国的火箭都能到月亮了，国产民用大客机也上天了，四代战机也诞生了，为什么战斗机上的发动机一直不能国产化呢？
这个世界上 能自行制造核武器的国家有9个 （美俄中英法印巴以朝） 能自行制造洲际弹道导弹的国家有5个 （美俄中英法） 能自行制造大推力军用涡扇发动机的国家有3个 （美俄中） 能自行制造大涵道大推力高性能民用涡扇发动机的国家 则就只剩2个了 （美英：GE 罗罗 普惠）
在这个残酷竞争的人类金字塔上 中国目前距离塔顶还真是有段距离的 工业之花 人类工业皇冠上的明珠：航发 涡扇航发 大涵道大推力高性能高可靠度涡扇航发 可也同时是中国目前怎么绕也绕不开的心脏病
Strength-Toughness Diagram
Strength-Density Diagram
Strength-Cost Diagram
Strength-Elongation Diagram
Strength-Maximum Service Temperature Diagram
Recycle Fraction-Cost Diagram
1. 什么是材料？
1）按化学组成分类
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高分子材料
塑料
橡胶
纤维
表面材料（涂料）
无处不在的高分子材料
压电晶体
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2018/5/8 Tuesday
超强度(每平方厘米2000公斤以上);超微比重(每立方厘米0.001克以下）；多功能；无污染（可自毁）；可再生。
在新的世纪我们对材料提出了 前所未有的高要求：
生物材料功能化干细胞
应用于组织工程
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能源是人类社会存在和发展的基石，使经济发展和文明进步的基本约束条件
化石燃料高效与清洁利用技术广泛应用，节能技术和能源高效利用技术越来越受到广泛重视
煤直接液化高效催化剂
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太阳能电池
硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。
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2018/5/8 Tuesday
能源生产与节能先进技术无不建立在新材料不断发展的基础之上
化石能源的高效与清洁生产需要材料的不断改进核能仍将不断得到发展，材料是关键之一再生能源（特别是太阳能）的利用虽然诱人，但材料是瓶颈超导材料、磁性材料、蓄电池及燃料电池发挥越来越重要的作用，需要高效率的正电极和负电极新材料因此，随着材料科学技术，特别是纳米技术受到高度重视，21世纪能源新材料将会得到迅速发展
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太阳能电池
加大利用各种可再生能源
高空发电机“捕捉风能”
风车发电
生物能
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2018/5/8 Tuesday
开发新能源技术方面有所突破
通用公司的氢动力车Hy-wire
秦山核电站
美国开始研制核能飞船 地球到火星不到60天
中国新型核潜艇
氢能被视为人类的终极能源： 清洁； 高效； 可持续
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2015款BMW5系GT氢能版：续航500公里
尽管氢在宇宙中丰度最高（约占宇宙质量的75%），在地球上却无法直接利用；如何廉价、大规模的制氢是推动氢能经济的前提和关键；目前制氢的方法主要包括：化石燃料制氢；生物质为原料制氢；电解水制氢；光催化制氢；
电解水制氢是目前最高效、方便和最有前途的方法之一。
施瓦辛格为新“悍马”加氢气
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如何廉价、大规模的制氢？
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2018/5/8 Tuesday
我们尚需努力的方向：
降低各种新能源的成本，使他们进一步产业化 研制出高效、安全、洁净的核能系统 进一步开发新的能源：波能、可燃冰、煤成气、微生物、绿藻现有煤向油的直接转化利用化学方法研制出更加高效的燃料电池以及太阳能电池与能源相关领域如新型材料的开发
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2018/5/8 Tuesday
环境科学
随着社会的发展和科技的进步，人类越来越觉得环境的重要，从而诞生一门从生态观点出发，将资源的合理利用和环境保护运用到生产和环境建设领域的综合性学科——资源环境科学
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2018/5/8 Tuesday
环境污染使人类的生存遭到威胁
水、空气、土地是我们生存的基础，可当水的清澈，空气的自由呼吸，土地的肥沃被满眼的油污，被刺鼻的化学味，被漂浮的粉尘侵蚀后，我们面对的将是无法挽回的伤痛，是癌症、是白血病、是中毒，甚至是死亡的代价！
污染的河流
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2018/5/8 Tuesday
酸雨
沙漠化
南极上空的臭氧空洞
白色污染
污染的河流
雾霾
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2018/5/8 Tuesday
白色污染
要解决 “白色污染”问题，应该从以下几个方面着手： 1.减少使用不必要的塑料制品，如用布袋代替塑料袋等 2.重复使用某些塑料制品如塑料袋、塑料盒等； 3. 分类回收各种废弃塑料4. 使用一些新型的、可降解的塑料，如微生物降解塑料和光降解塑料等
可降解塑料的降解过程
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2018/5/8 Tuesday
该“塑料袋”的材料完全来自于纯天然食品：玉米、马铃薯、天然淀粉、香蕉、植物油等12种材料。此款“塑料袋”丢弃后，可在180天内完全自然降解；如果置于室温的水中，则会在一天内溶解消失；而如果放在热水中，分解只需15秒。
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2018/5/8 Tuesday
从生态观点出发，将资源的合理利用和环境保护运用到生产和环境建设领域中先进资源的化学制控和工程技术及各种废弃资源回收与提升新型环境友好型材料的开发：可降解材料、可回收材料、抑菌材料等防止沙漠化和沙漠的利用
保护环境
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2018/5/8 Tuesday
海洋监测技术——海床基动力要素综合自动检测系统
BY8-水下金属探测仪在军事领域被广泛使用，同时也被应用于沉船打捞、渔业、水下考古等
海洋资源的开发，深水作业需要其他相关领域科技的支持，材料科学的发展，高强超韧材料的研发可以为我国的海洋开发、海洋利用和海洋保护提供先进的技术和手段。
海洋技术
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2018/5/8 Tuesday
不久前美国一权威著作预言：21世纪国家对航天能力的依赖可与19—20世纪国家对电力、石油的依赖相比拟。
空间技术帮助人类实现远古梦想
86
2018/5/8 Tuesday
这些航天运载工具的外壳一般为玻璃钢，用碳纤维浸渍于酚醛树脂或环氧树脂上，然后手工覆上，最后用超声波检验，保证无气泡。航天器的发展必须以高性能材料的发展为基础，有极轻的重量和极高的强度，从而使它们性能先进、有效载荷大和耐航性长
“神舟”五号载人飞船成功发射
材料在航天领域有着至关重要的作用
87
2018/5/8 Tuesday
“发现号”外挂油箱上绝热泡沫的脱落曾让许多美国人心惊胆战而几年前，正是由于塑料泡沫部件在发射时撞坏了一片防热瓦，导致“哥伦比亚”号在返航时空中解体
“发现号”航天飞机
88
2018/5/8 Tuesday
我们尚需努力的方向：
更全面地认识地球。由于地球面积辽阔，人们仅从地面上认清地球非常困难，所以必须发展空间技术获取新的资源，因为地球资源十分有限，所以人类必须寻找、开发和利用空间资源。开发新的高性能材料
火星探索“漫游者”
89
2018/5/8 Tuesday
绿色农业园
立体种植
安全科学
90
2018/5/8 Tuesday
如何认识转基因食品补品食品的包装材料
转基因食品
食品包装袋
？
？
食品安全
91
2018/5/8 Tuesday
尚需努力的方向
加强生产过程的安全问题发展高效农业，解决人类的温饱问题加强食品监管体制，加大打击力度加深对转基因食品的认识深入对中药的研究开发具有优异性能的食品包装材料
92
2018/5/8 Tuesday
新型材料
八大领域关系
信息科学
海洋科学
宇航科学
新能源科学
环境科学
安全科学
生命科学
生物脏器组织
功能材料
生物食品化学资源开发
生态环境友好材料
93
2018/5/8 Tuesday
休息
第三章 无机非金属材料
本章主要内容
无机非金属材料概述传统陶瓷、特种陶瓷水泥玻璃耐火材料
F1赛车手在高速中一般万不得已不会轻易点刹车也就是说在同样的赛道上越是比其他人更晚刹车、更用力刹车才有可能取得胜利
踩下刹车踏板，在剧烈摩擦下，刹车盘以100度/百分之一秒的升温速度迅速升至工作温度—约400度。大约半秒钟后，刹车盘温度升至1000度，此时刹车效果是最明显的。车手在此时会承受最大G值（大约5.4G）F1赛车由360km/h减速至静止仅需4秒。
F1赛车采用碳纤维混合物的刹车碟和刹车钳可以长时间承受超过1000摄氏度的高温相同环境下钢制刹车盘仅在几分钟之内就会报废。
硅氧四面体是硅酸盐陶瓷中最基本的结构单元
陶器是用泥巴（粘土）成型晾干后，用火烧出来的，是泥与火的结晶。用陶土烧制的器皿叫陶器。烧制温度800℃到1100℃左右。不具备半透明的特点 。
陶(pottery)
瓷(porcelain, china)
用高岭土烧成的一种质料，所做器物比陶器细致而坚硬 瓷器的烧成温度比较高，大都在1200℃以上 有半透明特点
紫砂
紫砂是一种炻器,是一种介于陶器与瓷器之间的陶瓷制品，其特点是结构致密，接近瓷化，强度较大，颗粒细小，断口为贝壳状或石状，但不具有瓷胎的半透明性。
造型美、材质美、实用美、工艺美、品位美
陶与瓷的区别
日用器皿
生活陶瓷
普通陶瓷材料
普通陶瓷材料
天津瓷房子
四千多件古瓷器，四百多件汉白玉石雕和二十多吨水晶石与玛瑙，近百只瓷猫枕，三百多个年代不等、大小不一的狮子。用掉的瓷片不计其数，没有一片现代瓷，其中还不乏钧窑、汝窑等五大名窑的瓷片。 瓷器涵盖了各个历史时期，有晋代青瓷、唐三彩，宋代钧瓷、龙泉瓷，元明青花、清代纷彩等各个时代的精品。
瓷房子—价值50亿
压电陶瓷的应用
狭义的玻璃定义：在熔融时能形成连续网络结构的氧化物，如氧化硅、氧化硼、氧化磷等，其熔融体在冷却过程中黏度逐渐增大并硬化而不结晶的硅酸盐无机非金属材料。（《中国大百科全书（化工卷）》） 广义的玻璃定义：玻璃是一种非晶态材料。（ 《材料科学技术百科全书》 ）
玻璃具有一系列非常可贵的特性：透明，坚硬，良好的耐蚀，耐热和电学、光学性质；能够用多种成形和加工方法制成各种形状和大小的制品；可以通过调整化学组成改变其性质，以适应不同的使用要求。特别是制造玻璃的原料丰富，价格低廉，有极其广泛的应用。
上海中心大厦结构地下5层 地上121层总建筑面积为 574058m2地上总建筑面积为 410139m2建筑总高度 632m
上海中心大厦建筑大楼集商业 办公 酒店 观光于一体是一座综合性超高摩天大楼
2-7区：办公区
两层高的设备层
THE ENDTHANKS
1
2018/5/8 Tuesday
材料科学与工程基础
无机材料杜明亮联系方式：[email protected]
2
中国的火箭都能到月亮了，国产民用大客机也上天了，四代战机也诞生了，为什么战斗机上的发动机一直不能国产化呢？
这个世界上 能自行制造核武器的国家有9个 （美俄中英法印巴以朝） 能自行制造洲际弹道导弹的国家有5个 （美俄中英法） 能自行制造大推力军用涡扇发动机的国家有3个 （美俄中） 能自行制造大涵道大推力高性能民用涡扇发动机的国家 则就只剩2个了 （美英：GE 罗罗 普惠）
在这个残酷竞争的人类金字塔上 中国目前距离塔顶还真是有段距离的 工业之花 人类工业皇冠上的明珠：航发 涡扇航发 大涵道大推力高性能高可靠度涡扇航发 可也同时是中国目前怎么绕也绕不开的心脏病
Strength-Toughness Diagram
Strength-Density Diagram
Strength-Cost Diagram
Strength-Elongation Diagram
Strength-Maximum Service Temperature Diagram
Recycle Fraction-Cost Diagram
1. 什么是材料？
1）按化学组成分类
37
2018/5/8 Tuesday
高分子材料
塑料
橡胶
纤维
表面材料（涂料）
无处不在的高分子材料
压电晶体
69
2018/5/8 Tuesday
超强度(每平方厘米2000公斤以上);超微比重(每立方厘米0.001克以下）；多功能；无污染（可自毁）；可再生。
在新的世纪我们对材料提出了 前所未有的高要求：
生物材料功能化干细胞
应用于组织工程
70
能源是人类社会存在和发展的基石，使经济发展和文明进步的基本约束条件
化石燃料高效与清洁利用技术广泛应用，节能技术和能源高效利用技术越来越受到广泛重视
煤直接液化高效催化剂
71
太阳能电池
硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。
72
2018/5/8 Tuesday
能源生产与节能先进技术无不建立在新材料不断发展的基础之上
化石能源的高效与清洁生产需要材料的不断改进核能仍将不断得到发展，材料是关键之一再生能源（特别是太阳能）的利用虽然诱人，但材料是瓶颈超导材料、磁性材料、蓄电池及燃料电池发挥越来越重要的作用，需要高效率的正电极和负电极新材料因此，随着材料科学技术，特别是纳米技术受到高度重视，21世纪能源新材料将会得到迅速发展
73
太阳能电池
加大利用各种可再生能源
高空发电机“捕捉风能”
风车发电
生物能
74
2018/5/8 Tuesday
开发新能源技术方面有所突破
通用公司的氢动力车Hy-wire
秦山核电站
美国开始研制核能飞船 地球到火星不到60天
中国新型核潜艇
氢能被视为人类的终极能源： 清洁； 高效； 可持续
75
2015款BMW5系GT氢能版：续航500公里
尽管氢在宇宙中丰度最高（约占宇宙质量的75%），在地球上却无法直接利用；如何廉价、大规模的制氢是推动氢能经济的前提和关键；目前制氢的方法主要包括：化石燃料制氢；生物质为原料制氢；电解水制氢；光催化制氢；
电解水制氢是目前最高效、方便和最有前途的方法之一。
施瓦辛格为新“悍马”加氢气
76
如何廉价、大规模的制氢？
77
2018/5/8 Tuesday
我们尚需努力的方向：
降低各种新能源的成本，使他们进一步产业化 研制出高效、安全、洁净的核能系统 进一步开发新的能源：波能、可燃冰、煤成气、微生物、绿藻现有煤向油的直接转化利用化学方法研制出更加高效的燃料电池以及太阳能电池与能源相关领域如新型材料的开发
78
2018/5/8 Tuesday
环境科学
随着社会的发展和科技的进步，人类越来越觉得环境的重要，从而诞生一门从生态观点出发，将资源的合理利用和环境保护运用到生产和环境建设领域的综合性学科——资源环境科学
79
2018/5/8 Tuesday
环境污染使人类的生存遭到威胁
水、空气、土地是我们生存的基础，可当水的清澈，空气的自由呼吸，土地的肥沃被满眼的油污，被刺鼻的化学味，被漂浮的粉尘侵蚀后，我们面对的将是无法挽回的伤痛，是癌症、是白血病、是中毒，甚至是死亡的代价！
污染的河流
80
2018/5/8 Tuesday
酸雨
沙漠化
南极上空的臭氧空洞
白色污染
污染的河流
雾霾
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2018/5/8 Tuesday
白色污染
要解决 “白色污染”问题，应该从以下几个方面着手： 1.减少使用不必要的塑料制品，如用布袋代替塑料袋等 2.重复使用某些塑料制品如塑料袋、塑料盒等； 3. 分类回收各种废弃塑料4. 使用一些新型的、可降解的塑料，如微生物降解塑料和光降解塑料等
可降解塑料的降解过程
82
2018/5/8 Tuesday
该“塑料袋”的材料完全来自于纯天然食品：玉米、马铃薯、天然淀粉、香蕉、植物油等12种材料。此款“塑料袋”丢弃后，可在180天内完全自然降解；如果置于室温的水中，则会在一天内溶解消失；而如果放在热水中，分解只需15秒。
83
2018/5/8 Tuesday
从生态观点出发，将资源的合理利用和环境保护运用到生产和环境建设领域中先进资源的化学制控和工程技术及各种废弃资源回收与提升新型环境友好型材料的开发：可降解材料、可回收材料、抑菌材料等防止沙漠化和沙漠的利用
保护环境
84
2018/5/8 Tuesday
海洋监测技术——海床基动力要素综合自动检测系统
BY8-水下金属探测仪在军事领域被广泛使用，同时也被应用于沉船打捞、渔业、水下考古等
海洋资源的开发，深水作业需要其他相关领域科技的支持，材料科学的发展，高强超韧材料的研发可以为我国的海洋开发、海洋利用和海洋保护提供先进的技术和手段。
海洋技术
85
2018/5/8 Tuesday
不久前美国一权威著作预言：21世纪国家对航天能力的依赖可与19—20世纪国家对电力、石油的依赖相比拟。
空间技术帮助人类实现远古梦想
86
2018/5/8 Tuesday
这些航天运载工具的外壳一般为玻璃钢，用碳纤维浸渍于酚醛树脂或环氧树脂上，然后手工覆上，最后用超声波检验，保证无气泡。航天器的发展必须以高性能材料的发展为基础，有极轻的重量和极高的强度，从而使它们性能先进、有效载荷大和耐航性长
“神舟”五号载人飞船成功发射
材料在航天领域有着至关重要的作用
87
2018/5/8 Tuesday
“发现号”外挂油箱上绝热泡沫的脱落曾让许多美国人心惊胆战而几年前，正是由于塑料泡沫部件在发射时撞坏了一片防热瓦，导致“哥伦比亚”号在返航时空中解体
“发现号”航天飞机
88
2018/5/8 Tuesday
我们尚需努力的方向：
更全面地认识地球。由于地球面积辽阔，人们仅从地面上认清地球非常困难，所以必须发展空间技术获取新的资源，因为地球资源十分有限，所以人类必须寻找、开发和利用空间资源。开发新的高性能材料
火星探索“漫游者”
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绿色农业园
立体种植
安全科学
90
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如何认识转基因食品补品食品的包装材料
转基因食品
食品包装袋
？
？
食品安全
91
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尚需努力的方向
加强生产过程的安全问题发展高效农业，解决人类的温饱问题加强食品监管体制，加大打击力度加深对转基因食品的认识深入对中药的研究开发具有优异性能的食品包装材料
92
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新型材料
八大领域关系
信息科学
海洋科学
宇航科学
新能源科学
环境科学
安全科学
生命科学
生物脏器组织
功能材料
生物食品化学资源开发
生态环境友好材料
93
2018/5/8 Tuesday
休息
第三章 无机非金属材料
本章主要内容
无机非金属材料概述传统陶瓷、特种陶瓷水泥玻璃耐火材料
F1赛车手在高速中一般万不得已不会轻易点刹车也就是说在同样的赛道上越是比其他人更晚刹车、更用力刹车才有可能取得胜利
踩下刹车踏板，在剧烈摩擦下，刹车盘以100度/百分之一秒的升温速度迅速升至工作温度—约400度。大约半秒钟后，刹车盘温度升至1000度，此时刹车效果是最明显的。车手在此时会承受最大G值（大约5.4G）F1赛车由360km/h减速至静止仅需4秒。
F1赛车采用碳纤维混合物的刹车碟和刹车钳可以长时间承受超过1000摄氏度的高温相同环境下钢制刹车盘仅在几分钟之内就会报废。
硅氧四面体是硅酸盐陶瓷中最基本的结构单元
陶器是用泥巴（粘土）成型晾干后，用火烧出来的，是泥与火的结晶。用陶土烧制的器皿叫陶器。烧制温度800℃到1100℃左右。不具备半透明的特点 。
陶(pottery)
瓷(porcelain, china)
用高岭土烧成的一种质料，所做器物比陶器细致而坚硬 瓷器的烧成温度比较高，大都在1200℃以上 有半透明特点
紫砂
紫砂是一种炻器,是一种介于陶器与瓷器之间的陶瓷制品，其特点是结构致密，接近瓷化，强度较大，颗粒细小，断口为贝壳状或石状，但不具有瓷胎的半透明性。
造型美、材质美、实用美、工艺美、品位美
陶与瓷的区别
日用器皿
生活陶瓷
普通陶瓷材料
普通陶瓷材料
天津瓷房子
四千多件古瓷器，四百多件汉白玉石雕和二十多吨水晶石与玛瑙，近百只瓷猫枕，三百多个年代不等、大小不一的狮子。用掉的瓷片不计其数，没有一片现代瓷，其中还不乏钧窑、汝窑等五大名窑的瓷片。 瓷器涵盖了各个历史时期，有晋代青瓷、唐三彩，宋代钧瓷、龙泉瓷，元明青花、清代纷彩等各个时代的精品。
瓷房子—价值50亿
压电陶瓷的应用
狭义的玻璃定义：在熔融时能形成连续网络结构的氧化物，如氧化硅、氧化硼、氧化磷等，其熔融体在冷却过程中黏度逐渐增大并硬化而不结晶的硅酸盐无机非金属材料。（《中国大百科全书（化工卷）》） 广义的玻璃定义：玻璃是一种非晶态材料。（ 《材料科学技术百科全书》 ）
玻璃具有一系列非常可贵的特性：透明，坚硬，良好的耐蚀，耐热和电学、光学性质；能够用多种成形和加工方法制成各种形状和大小的制品；可以通过调整化学组成改变其性质，以适应不同的使用要求。特别是制造玻璃的原料丰富，价格低廉，有极其广泛的应用。
上海中心大厦结构地下5层 地上121层总建筑面积为 574058m2地上总建筑面积为 410139m2建筑总高度 632m
上海中心大厦建筑大楼集商业 办公 酒店 观光于一体是一座综合性超高摩天大楼
2-7区：办公区
两层高的设备层
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第二章 材料科学与工程的四个基本要素
材料的使用依赖于材料的性能，而其性能都是由其化学组成和结构决定的。 只有从微观上了解材料的组成、结构与性能的关系，才能有效地选择制备和使用材料。
第二章 材料科学与工程的四个基本要素
合成与加工
性质/使用性能
结构
（化学）
（工程）
（物理学）
组成
2.1 材料的组成
地壳中各元素的储量 材料所用的原料均取自于地壳，地壳的90％是由O、Si、Al、Fe、Ca五种主要元素构成。
1、地壳中主要元素储量
其余90多种元素的重量加起来不到地壳总重的1％。
地壳中主要元素储量
Cu、Zn、Pb的含量分别为0.0006％、0.0009％、0.000001％，但这些元素有很强的富集能力，经富集可达到百分之几、百分之几十。 已知矿物约有2000－3000种，最常见的有100多种。金属、玻璃、陶瓷、高分子材料的原料大多数来自矿物。
在103种元素中， 惰性元素 6 种 非金属元素 16 种 金属元素 81 种
2、材料的化学组成
金属 单质、合金 如 Fe、Al、Cu、Ti 陶瓷 MOx、M(OH)x、非金属氧化物 如Al2O3、 MgO、TiO2、ZnO、SiO2、SiC、BN水泥 SiO2－CaO－Al2O3－Fe2O3玻璃 SiO2－CaO－Na2CO3有机高分子 C（为主）结合H、O 还结合N、S、P、Cl、F、Si等 聚合度300－2500，分子量1－100万
2.2、材料的结构
定义: 组成材料的原子或分子之间的空间分布。材料的结构决定材料的性能。 内涵： 包含化学成分、晶体结构和缺陷、相组成、形貌等。
材料的结构
键合结构
晶体结构
组织结构
电负性：不同元素的原子在分子中吸引电子的能力 , 与原子的亲合能和第一电离能之和成正比
电负性与键型的关系▲ 电负性小的原子结合形成金属键；▲ 电负性大的原子结合形成共价键；▲ 电负性相差大的不同原子结合形成离子键；▲ 电负性相差小的不同原子结合形成共价键和 离子键的混合键。
2.2.1、材料中的化学键
金属键－金属离子与自由电子相互吸引所形成的结合力。 无方向性和饱和性－电子可在晶格之间自由活动。 极性还是非极性？
2.2.1、材料中的化学键
离子键－正负离子之间的引力所形成的键力。 无方向性，有饱和性，作用力强
2.2.1、材料中的化学键
共价键－两个或多个原子相互吸引、共用若干电子所形成的键力。有方向性和饱和性。本质是原子轨道重合后，高概率的出现在两个原子核之间的电子与两个原子核之间的电性作用。
2.2.1、材料中的化学键
范德华键 －分子之间的作用力。 较弱，作用能在几十 kj/mol以下。 （化学键120－600kj/mol）
氢键－ 氢原子在分子中与一个原子A结合时，还与 另一个原子B结合的附加键。比范德华键略强。 如H2O、HCl
金属 金属键无机非金属 离子键/共价键 高分子 共价键、范德华键、氢键
键型特点与物质物性的关系
▲ 实际上的凝聚态物质的键合情况往往不是 单一的，而是混合的 ▲ 电负性是一个非常有用的概念，可用来定性 判断形成凝聚态所采取的结合类型。 ▲ 物质的键合方式决定其性能。 在熔点、硬度上反映明显。结合能大的材 料，具有高强度、高熔点。
键合结构对材料性能的影响
键合结构对材料性能的影响
2.2.2、晶体结构
1、晶体结构2、晶体的缺陷3、固溶体4、材料的结构
1、晶体结构
晶体－原子或原子团、离子或离子团按一定 规律呈周期性地排列构成的物质 单晶固体 多晶 非晶
晶 体- 原子排列长程有序，有周期
材料的结构----晶体结构
非晶体- 原子排列短程有序，无周期
准晶体- 长程准周期性和非晶体学对称性
液晶 - 流动性、有序排列和各向异性
非晶 多晶 单晶
七大晶系
晶体性质▲ 均匀性▲ 各向异性▲ 自发地形成多面体外形▲ 有明显确定的熔点▲ 有特定的对称性▲ 使X射线产生衍射
金刚石的晶体结构图
返回
石墨的晶体结构图
返回
晶体结构
SO2
晶体结构
晶体结构
非晶结构的性质
＊ 各向同性＊ 亚稳态＊ 无固定熔点＊ 不能使X射线产生衍射
分子排列存在位置上的无序性，但在取向上仍有一维或二维的长程有序性，也可称为位置无序晶体或取向有序液体。
液晶
向列型 近晶型 胆甾型
液晶
热致液晶溶致液晶
双折射现象 一束光射入液晶后，分裂成两束光的现象
材料：有机化合物
电光效应 在电场作用下，液晶的光学特性发生变化
Kevlar
杜邦公司化学家Stephanie Kwolek发明了一种非常著名的材料Kevlar。在60年代她发现了全新的液晶聚合物，她凭着直觉对多数人拒绝研究的芳纶聚合物溶液（浑浊的可流动的液体）进行纺丝，得到了一种比以往合成纤维强度和刚度大的多的纤维。1971年Kevlar开始进入市场，其比强度是钢的5倍，同时密度只有玻纤的一半。其应用最有名的例子便是制作防弹衣，但它还有很多用途，包括子午线轮胎帘线、刹车垫、赛艇、飞机复合材料和拉索桥等。
Stephanie Kwolek
凯夫拉的应用
Nylon 6,6
Poly(m-phenylene isophthalamide) (Nomex)
Poly(p-phenylene terephtalamide)PPT (Kevlar)
液晶高分子的其它应用
热致液晶与热塑性塑料共混，“就地”形成微纤结构，增强基体力学性能（例如，聚碳酸酯/聚酯液晶，聚醚砜/聚酯液晶等）。液晶材料热膨胀系数小，适用于光导纤维的被覆。微波吸收系数小，耐热性好，适用于制造微波炉具。具有铁电性，适用于显示器件、信息传递和热电检测等。
准晶
＊ 介于晶体和非晶体之间＊ 结构完全有序＊ 不具有平移对称性＊ 具有宏观对称性＊ 极低的导热率、高硬度、低表面能、低摩擦系数
同时具有长程准周期平移性和非晶体学旋转对称性的固态有序相
2. 晶体缺陷
点缺陷 类型 线缺陷 面缺陷 形成原因- 热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等
对性能的影响-
比容、比热容、电阻率扩散系数、内耗、介电常数光吸收力学性能（固溶强化）
1-大的置换原子 2-肖脱基空位 3-异类间隙原子 4-复合空位 5-弗兰克尔空位 6-小的置换原子
点缺陷的类型
线缺陷－在一维方向上偏离理想晶体中的 周期性、规则性排列所产生的缺陷。 线缺陷的产生与材料的韧性、脆性密切相关。
对性能的影响： 实际强度<<理论强度
面缺陷－是指在二维方向上偏离理想晶体中的 周期性、规则性排列而产生的缺陷。 如晶界、表面、堆积层错、镶嵌结构等。 面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。
对性能的影响
表面
—— 氧化、腐蚀、磨损
晶界、亚晶界相界
强度、电学、热学、光学、耐腐蚀等性能
面缺陷－晶界
3、固溶体
固溶体－以某一A组元为溶剂，在其晶体点阵中 溶入B组元原子（溶质原子）所形成的 均匀混合的固体。 它保持溶剂的晶体结构类型
1） 置换固溶体－ 溶质原子占据溶剂点阵的阵点。 有无限溶解和部分溶解。2） 间隙固溶体－ 溶质原子分布于溶剂晶格间隙 而形成的固溶体 。
4、材料的结构
金属材料 大多数为晶体（Hg除外）多为体心、面心立方和六方晶系。碱金属－均为体心立方结构碱土金属－多为六方结构过渡金属－体心立方、六方 面心立方
主要是 SiO 四面体 以不同形式的连接，形成 岛状、链状、层状、网状等结构。
无机非金属材料
硅酸盐聚合结构
陶瓷 通常含有一种或多种的晶相、 一定量的玻璃相，少量的气相。水泥、玻璃 属近程有序、远程无序的玻璃 非晶体结构。
高分子材料结构
由大量重复的结构单元连接成 链状、网状、聚集体。 主要为非晶体结构，次要为晶体。
2.3 材料的性能
材料性能是用于表征材料在给定外在条件下行为的参量。 1、力学性质 2、 物理性质 3、化学性质 硬度 磁学 催化 刚度 光学 防腐 强度 热学 塑性 电学 韧性 声学
1、材料力学性质
强度：材料抵抗外应力的能力。 与缺陷、键力有关。表征：抗拉强度、抗弯强度、抗压强度塑性：外力作用下，材料发生不可逆的 永久性变形而不破坏的能力。表征：延伸率δ
硬度：材料在表面上的小体积内抵抗变形 或破裂的能力。弹性：在外力作用下材料产生变形，外力除去 后能恢复原状的能力。刚度：抵抗弹性变形能力。表征： 弹性模量、杨氏模量、剪切模量
疲劳强度：材料抵抗交变应力作用下 断裂破坏的能力。华航611航班：金属疲劳 表征：疲劳极限、疲劳寿命抗蠕变性：材料在恒定应力（或恒定载荷）作用下 抵抗变形的能力。 表征：蠕变极限、持久强度 韧 性：材料从塑性变形到断裂全过程中 吸收能量的能力 表征：断裂韧性 KIC、断裂韧性 JIC
。
材料的物理性质
磁学性质
光学性质
电学性质
热学性质
材料物理性能
1. 电学性能表征：导电率、电阻率、介电常数2. 磁学性能表征：磁导率、矫顽力、磁化率3、 光学性能表征： 光反射率、光折射率、光损耗率4. 热学性能表征：热导率、热膨胀系数、熔点、比热
失效分析--材料使用性能的重要研究内容
断裂
磨损
腐蚀
三类主要的材料力学失效形式
2.1.3失效分析
TITANIC
2.1.3失效分析
3、化学性能
材料抵抗各种介质作用的能力。包括溶蚀性、耐腐蚀性、抗渗性、抗氧化性，即化学稳定性。还有催化性和离子交换性。
材料结构、结合键、组成相、性能的关系
种类 键型 结构特征 组成相 性能金属 金属键 晶体规则排列 固溶体、两相 高韧性、高延展性、导热、导电、不透 明、易腐蚀（Pt、Au、Ir 、Ag除外）无机 离子键 单晶、多晶体 固溶体、玻璃相 熔点、硬度、强度高，耐高温、腐蚀、非金属 共价键 非晶态 晶相、 气相 磨损、氧化，弹性模量大，化学稳定 性好，脆性、绝缘高分子 分子键 由103－106个 晶态、非晶态 轻、韧性、耐磨、易加工、隔热、绝缘、 共价键 结构单元连成 化学稳定性好、光老化、 不耐热 大分子链、网状
国际材料数据库建设简况
英、美金属学会合建金属材料数据库西方七国组成有关新材料数据及标准的“凡尔赛计划”原苏联及东欧各国组成了COMECON材料数据系统，包括16个数据库北京科技大学等单位联合建成材料腐蚀数据库武汉材料保护研究所建成材料磨损数据库北京钢铁研究总院建立合金钢数据库航天航空部材料研究所建立航天材料数据库
2.4 合成与加工
1.定义2.合成与加工的主要内容3.与其它要素的关系4.发展方向
2.4.1、定义
合成与加工－用化学、物理方法建立原子、分子和分子团 的新排列，在所有尺度上（从原子尺寸到宏 观尺度）对结构的控制，以及高效而有竞争 力地制造材料与元件的过程。
需要说明的问题
在材料科学与工程中，合成和加工之间的区别变得越来越模糊
合成是新技术开发和现有技术改进的关键性要素
现代材料合成技术是人造材料的唯一实现途径
2.4.2、合成与加工的主要内容
2.4.2、 材料的合成与加工
一、 原料的选用 名称 主要原料 金属材料 天然金属矿无机非金属 材料黏土类、石英类、长石类、 碳酸盐类、工业废渣高分子材料 天然纤维、塑脂、橡胶，石油、天然气、煤
二、制造工艺
炼钢工艺矿石—C还原 —生铁 — 吹氧精练 —非镇静钢 — 脱氧 — 镇静钢 高炉 饱和C 转炉 C低O高 浇包钢 C低无O 铝的生产工艺铝矿石－生产Al2O3－纯Al2O3－电解制Al－液体Al－澄清－注锭
二、制造工艺
陶瓷的生产工艺配料 — 混料 — 成型 — 干燥 — 施釉 — 锻烧 — 检验包装水泥的生产工艺配料— 粉磨 — 窑外分解 — 锻烧 — 冷却 — 破碎 — 熟料库 — 粉磨— 水泥库—包装—成品库—水泥出厂玻璃的生产工艺配料—溶炼—澄清—成型— 检验包装—出厂
二、制造工艺
高分子材料的生产工艺 裂解 聚合 加工石油、天然气、煤——单体——高分子聚合体——高分子材料橡胶 硫化－交联单体－聚合－闪蒸脱气－凝聚－洗涤－脱水－干燥－成型－橡胶塑料单体－聚合－高压分离－低压分离－ 造粒－塑料－挤出、注塑、吹塑成型纤维－熔融纺丝玻璃钢－手糊 层压、模压、缠绕等工艺。
三、材料制备的方法
冶金过程
熔炼与凝固
粉末烧结
高分子聚合
1、冶金过程（化学冶金）
2、熔炼与凝固（物理冶金）
目的: １. 粉末成型 2 . 粉末颗粒的结合
内容: 1 . 粉末冶金技术 2 . 现代陶瓷材料的制备
3、粉末烧结
目的: 实现小分子发生化学反应，相互结合形 成高分子。高分子聚合是人工合成三大 类高分子材料：塑料、橡胶、合成纤维 的基本过程。
内容: 1 . 本体聚合 3 . 悬浮聚合 2 . 乳液聚合 4 . 溶液聚合
4、 高分子聚合
四、材料的加工
传统意义上，材料的加工范畴包括四个方面：
材料的切削：车、铣、刨、磨、切、钻材料的成型：铸造、拉、拔、挤、压、锻材料的改性：合金化、热处理材料的联接：焊接、粘接
三大类材料的成型技术在材料工程中是内容最为丰富的一部分。如果按材料的流变特性来分析，则材料的成型方法可分为三种：
１．液态成型２．塑变成型 3 .流变成型
金属的铸造、溶液纺丝金属的压力加工金属、陶瓷、高分子成型
材料的成型
五、材料表面工程
表面改性表面防护薄膜技术
----改变材料表面的性质
三束表面改性
化学表面改性 化学热处理
表面淬火
1、表面改性
激光束、电子束、离子束
腐蚀防护－大气、海水、工业介质腐蚀防护
摩擦磨损防护 －增加抗磨损性、润滑性
2、表面防护
第四章 金属材料
金 属 之 最
地壳中含量最高的金属元素？铝
目前世界年产量最高的金属？铁
导电、导热性最好的金属？银
人体中含量最高的金属元素？钙
硬度最高的金属？铬
熔点最高的金属？钨
你知道吗？
熔点最低的金属？汞
密度最大的金属？锇
密度最小的金属？锂
优
良
金 铅 银 铜 铁 锌 铝
19.3 11.3 10.5 8.92 7.86 7.14 2.70
大
小
钨 铁 铜 金 银 铝 锡
3410 1535 1083 1064 962 660 232
高
低
铬 铁 银 铜 金 铝 铅
9 4~5 2.5~4 2.5~3 2.5~3 2~2.9 1.5
大
小
银 铜 金 铝 锌 铁 铅
100 99 74 61 27 17 7.9
小知识
金属材料
金属材料包括纯金属以及它们的合金。
结合刚才的展示和图片，根据生活经验，你知道金属材料有哪些用途？
建筑桥梁器械车辆、飞机、舰船、火箭、飞船生活用具机器管道其它
人类从制造工具开始——石器时代
人类开始制造金属工具——青铜器时代
人类广泛制造和使用金属工具—铁器时代
当今几种重要的金属
Fe 是目前世界年产量最高的金属。
当今几种重要的金属
Al 的利用仅有100多年，由于它密度小和具有抗腐蚀等优良性能，现在世界上铝的年产量已超过了铜，位于铁之后，居第二位。
当今几种重要的金属
Cu 人类利用最早的金属材料， 由于它的含量少等原因，现在世界上铜的年产量，位于铁和铝之后，居第三位。
用来铸造硬币的合金需要具有什么性质？
资源丰富
无毒轻便
耐磨耐腐蚀
美观、易加工
前进
第五套人民币硬币 1元硬币 钢芯镀镍 5角硬币 钢芯镀铜合金 1角硬币 铝合金
非晶态金属的定义：
在特殊冷却条件下凝固时，熔液态金属没有发生结晶而形成的具有短程有序而长程无序结构的固体。（Amorphous metals）由于非晶态金属的结构类似于普通玻璃，因此也称为金属玻璃（Metallic glasses)。
非晶态金属（金属玻璃）的特点：
兼有金属和玻璃各自优点，并克服了各自弊病： 玻璃易碎，没有延展性；但强度硬度高，耐腐蚀； 金属韧性好，有延展性；但硬度低，不耐腐蚀；良好的综合性能，号称玻璃之王： 强度高于普通钢，硬度大于多数工具钢； 同时还具有一定的韧性。
Amorphous metallic alloys combine higher strength than crystalline metal alloys with the elasticity of polymers.
高杨氏弹性模量；－刚度大；大的弹性变形极限－低阻尼，高回弹；用于体育器材。
非晶态合金的耐腐蚀性能
某些添加Cr或P的非晶态合金具有极其优异的抗腐蚀性能。 例如，Fe80P13C7非晶合金本来抗腐蚀能力较差，在30oC下一个当量浓度的HCl溶液腐蚀速度比晶态纯铁还要快10倍。添加Cr后组成的Fe80-xCrxP13C7的抗腐蚀能力远优于不锈钢，腐蚀速度接近于零。
密闭中空结构件中很难进行紧固操作，形状记忆紧固铆钉依靠形状恢复可进行这种操作。
形状记忆紧固铆钉
1) 化石燃料制氢—目前主要的制氢方法 成熟、廉价，但资源和环境问题并未解决 2) 生物质为原料制氢 光合效率、水土面积、集中和储运成本等问题3) 水分解制氢 利用光化学、热化学和电化学方法制氢。然而，太阳能的收集、高品质热能和电能的产生方法，都是首先要解决的问题。 4）光催化制氢 效率低，需要寻求新型、高效的光催化材料。
制氢技术
氢的贮存
传统贮氢方法有两种：①气态储氢：一种方法是利用高压钢瓶（氢气瓶）来贮存氢气，但钢瓶贮存氢气的容积小，瓶里的氢气即使加压到150个大气压，所装氢气的质量也不到氢气瓶质量的1％，而且还有爆炸的危险；②液态储氢：另一种方法是贮存液态氢，将气态氢降温到－253℃变为液体进行贮存，但液体贮存箱非常庞大，需要极好的绝热装置来隔热，才能防止液态氢不会沸腾汽化。 近年来，一种新型简便的贮氢方法应运而生，即利用贮氢合金（金属氢化物）来贮存氢气。
不同储氢方式的比较气态储氢：能量密度低，不太安全液化储氢：能耗高对储罐绝热性能要求高固态储氢的优势：体积储氢容量高无需高压及隔热容器安全性好，无爆炸危险可得到高纯氢，提高氢的附加值
在一定温度和氢气压力下，能可逆的并且能多次吸收、贮存和释放氢气的合金就是储氢合金。贮氢合金是20世纪60年代发展起来的，使氢的贮存问题得到了令人满意的解决。这种合金像海绵吸水一样，大量吸氢，亦称为氢海绵。这类合金中的一个金属原子能和两、三个甚至更多的氢原子结合，生成稳定的金属氢化物，同时放出热量将其稍稍加热，氢化物发生分解，吸收热量后，又可将吸收的氢气释放出来。
储氢合金的概念与功能
什么是储氢合金？
1、常温下为固体（Hg除外）；2、熔点较高，也有较低的，如：Sn、Pb、Zn、Al；3、密度较大（Mg、Al除外，在3g/cm3以下）；4、有光泽；5、延展性、韧性、可加工性好；6、导热性、导电性好，例如Ag、Cu、Al；7、易氧化
200 系列—铬-镍-锰 奥氏体不锈钢 300 系列—铬-镍 奥氏体不锈钢 301—延展性好，抗磨性和疲劳强度优于304。 302—耐腐蚀性同304，由于含碳相对要高因而强度更好。 303—添加少量的硫、磷使其较304更易切削加工。 304—通用型号。309—较之304有更好的耐温性。 316—304之后第二个得到广泛应用的钢种，主要用于食品工业和外科手术器材。316—通常用于核燃料回收装置。321—除了因为添加了钛元素降低了材料焊缝锈蚀的风险之外其他性能类似304。
400 系列—铁素体和马氏体不锈钢 408—耐热性好，弱抗腐蚀性，11%的Cr，8%的Ni。 409—通常用作汽车排气管，属铁素体不锈钢。 410—马氏体,高强度铬钢，耐磨性好，抗腐蚀性较差。416—添加了硫改善了材料的加工性能。420—“刃具级”，用于外科手术刀具，可以做的非常光亮。430—铁素体不锈钢，装饰用，例如用于汽车饰品。良好的成型性，但耐温性和抗腐蚀性要差。440—高强度刃具钢，属于最硬的不锈钢之列。最常见的应用例子就是“剃须刀片”。500 系列—耐热铬合金钢。600 系列—马氏体沉淀硬化不锈钢。
金属与盐酸反应的比较
各种金属和二硫化钼的HER火山图；B 各种金属的ORR火山图
作业题：1、通过查阅文献，试述金属功能材料的主要种类及应用。2、概述无机非金属材料的种类及其特点和应用。
材料科学与工程基础 ——高分子材料
Fundamentals of Materials Science and Engineering— Polymer Materials
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施冬健
2
[1] 张留成. 高分子材料基础, 北京:化工出版社,2008. [2] 潘祖仁.高分子化学,北京:化工出版社,1997.[3] 何曼君,陈维孝,董西侠.高分子物理， 上海:复旦大学出版社,1990年,[4] 马德柱,何平笙等.高聚物的结构与性能, 北京:科学出版社,1995年.[5] 黄丽.高分子材料,北京:化工出版社,2006.
参考资料 - References
一、高分子材料 概论 (Introduction)
什么是高分子材料？分类？高分子材料的结构是什么？他们的化学物理性质是什么？ 高分子材料的历史和发展？
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英国馆 PMMA杆
西班牙馆 硅橡胶
隐身战斗机
金属材料－－长盛不衰 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之星－－储氢合金无机非金属材料——陶瓷、玻璃、水泥 从一个古老的材料王国到现代无机材料的再度辉煌。 威力无比的先进结构陶瓷到奇妙无穷的功能陶瓷。年轻的高分子材料－－千姿百态 20世纪新兴的材料王国－－现代生活的高分子材料 功能高分子各显神通先进的复合材料－－巧夺天工新型功能材料－－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
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材料－人类社会文明大厦的基石
1.1 高分子材料的发展
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90年代
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聚合物产生年代表
远古时期—天然高分子材料已得到应用 （皮毛、天然橡胶、 棉花、虫胶、蚕丝、木材等）
1839年，美国人Goodyear发明了天然橡胶的硫化
1870年 Hyatt制得赛璐珞塑料（硝化纤维+樟脑+乙醇高压共热）
1907年， Baekeland为寻找虫胶的代用品，第一次用人工方法合成 酚醛树脂
1926年，美国Semon合成了聚氯乙烯
1933年，英国ICI公司高压聚乙烯问世
1935年，杜邦公司 Carothers 第一次用人工方法制成：合成纤维-尼龙 66
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高分子理论和聚合方法上的突破
1920年德国Staudinger发表了“ 论聚合 ” 的论文，提出高分子物质是由具有相同化学结构的单体经过化学反应(聚合)，通过化学键连接在一起的大分子化合物。
1932年出版了划时代的巨著《高分子有机化合物》，成为高分子化学作为一门新兴学科建立的标志。
1953年诺贝尔奖
高分子（Macromolecular，Polymer）概念的形成和高分子科学的出现始于20世纪20年代。
“for his discoveries in the field of macromolecular chemistry”
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Paul J. Flory——建立了高分子长链结构的数学理论（1948年） 推出高分子溶液的热力学性质,使粘度、扩散、沉降等宏观性质与分子微观结构有了联系。
高分子理论和聚合方法上的突破
1974年诺贝尔奖
“For his fundamental achievements, both theoretical and experimental, in the physical chemistry of the macromolecules”
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1953年德国人齐格勒 —[ TiCl4+Al(C2H5)3]——低压聚乙烯；意大利人纳塔 —[ TiCl3+Al(C2H5)3]——等规立构聚丙烯1963年齐格勒、纳塔获得诺贝尔化学奖。
高分子理论和聚合方法上的突破
Karl Ziegler 1898~1973
Giulio Natta 1903~1979
石油裂解产物得到充分利用
定位聚合的实现
“for their discoveries in the field of the chemistry and technology of high polymers ”
De Gennes（法) 1991 物理奖 对液晶和高分子物质有序现象提出了标度理论从临界现象认识分子，在物理-化学之间架设了桥梁提出“软物质”概念
“for discovering that methods developed for studying order phenomena in simple systems can be generalized to more complex forms of matter, in particular to liquid crystals and polymers ”
De Gennes
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高分子理论和聚合方法上的突破
13
1956年，美国Szwarc提出活性聚合概念 ——高分子进入分子设计时代。
高分子理论和聚合方法上的突破
活性聚合的实现
Styrene-Butadiene-Styrene
SBS弹性体
Hard
Hard
Soft
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高分子理论和聚合方法上的突破
导电聚合物的发现和发展 20世纪70年代中期发现的导电高分子，改变了长期以来人们对高分子只能是绝缘体的观念，进而开发出了具有光、电活性的被称之为“电子聚合物”的高分子材料，有可能为21世纪提供可进行信息传递的新功能材料。 Hideki Shirakawa, Alan G. MacDiarmid, Alan J. Heeger （2000年诺贝尔奖）
辉煌的成就
起步晚：20世纪初 发展迅猛 成就卓著 举世瞩目
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与高分子相关的著名企业
科思创
巴斯夫
通用电气
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高分子学科既是一门应用学科，也是一门基础学科，它是建立在有机化学、物理化学、生物化学、物理学和力学等学科的基础上逐渐发展而成的一门新兴学科。
高 分 子 科学与工程
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、 制订合成工艺等。
研究聚合物的结构与性能的关系，为设计合成预定性能的聚合物提供理论指导，是沟通合成与应用的桥梁。
高 分 子 物 理
高 分 子 加 工
研究聚合物加工成型的原理与工艺。
高分子材料 的研究对象
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又称高分子化合物、大分子化合物、高分子、大分子、高聚物、聚合物。 （注：这些术语一般可以通用） Macromolecules, High Polymer, Polymer
什么是高分子?
高分子是指由多种原子以相同的、多次重复的结构单元并主要由共价键连接起来的、通常是相对分子量为104～106的化合物。
1.2 高分子材料的基本概念
1.2.1高分子的分类 1）根据高分子主链(main chain)结构分类 碳链聚合物(carbon chain polymer )杂链聚合物(heterochain polymer )元素有机聚合物(elemento-organic polymer)无机高分子(inorganic polymer)
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碳链聚合物的主链全部由碳元素组成，侧基上可有其它元素。例如聚乙烯、聚丙烯等。 杂链聚合物的主链上以碳元素为主，但存在其它元素，如O、N、S、P等杂元素。主链上的苯环一般也看作为杂元素。
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聚乙烯
聚丙烯
聚乙二醇
尼龙—6
元素有机聚合物的主链上没有碳元素，一般由Si、B、N、P、Ge和O等元素组成，但侧链上含有有机基团。例如： 无机高分子无论在主链还是侧链上均没有碳元素。例如玻璃、陶瓷等均属此类。不在本课程讨论之列。
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2）根据高分子受热后的形态变化分类 热塑性高分子(thermoplastic polymer)和热固性高分子(thermosetting polymer)两大类。 热塑性高分子：固体状态（受热）－－流动状态（可重复），即热塑性高分子是可以再生的。聚乙烯、聚苯乙烯和涤纶树脂等均为热塑性高分子。 目前，绝大多数高分子化合物为热塑性高分子。
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热固性高分子：受热－－流动状态－－固体状态（不可逆）。热固性高分子是不可再生的。 能通过加入固化剂(curing agent)使流体状转变为固体状的高分子，也称为热固性高分子。 典型的热固性高分子如：酚醛树脂、环氧树脂、氨基树脂、不饱和聚酯、聚氨酯、硫化橡胶等。
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3）根据高分子的用途分类 分为塑料、橡胶、化学纤维、涂料、粘合剂和功能高分子六大类。
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I. 习 惯 命 名 法
天然高分子
一般有与其来源、化学性能与作用、主要用途相关的专用名称。如纤维素（来源）、核酸（来源与化学性能）、酶（化学作用）。
合成高分子
（1）由一种单体合成的高分子：“聚”+ 单体名称 如聚氯乙烯、聚乙烯等
1.2.2 高 分 子 的 命 名
（2）由两种单体通过缩聚反应合成的高分子：“聚”+ 两单体生成的产物名称，如对苯二甲酸和乙二醇的缩聚产物叫“聚对苯二甲酸乙二酯”己二酸和己二胺的缩聚产物叫“聚己二酸己二胺”两单体名称或简称加后缀“树脂”，如 苯酚和甲醛的缩聚产物叫“酚醛树脂” 尿素和甲醛的缩聚产物叫“脲醛树脂”
1.2.2 高 分 子 的 命 名
（3）由两种单体通过链式聚合反应合成的共聚物： 两单体名称或简称之间 +“-”+“共聚物”：如乙烯和乙酸乙烯酯的共聚产物叫“乙烯-乙酸乙烯酯共聚物”（4） “聚”+高分子主链结构中的特征功能团： 指的是一类的高分子，而非单种高分子，如： 聚酯：
聚酰胺：
1.2.2 高 分 子 的 命 名
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性 质 和 用 途
塑 料
纤 维
橡 胶
涂 料
胶粘剂
功能高分子
以聚合物为基础，加入（或不加）各种助剂和填料，经加工形成的塑性材料或刚性材料。
具有可逆形变的高弹性材料。
纤细而柔软的丝状物, 长度至少为直径的100倍
涂布于物体表面能成坚韧的薄膜、起装饰和保护作用的聚合物材料
能通过粘合的方法将两种以上的物体连接在一起的聚合物材料
具有特殊功能与用途但用量不大的精细高分子材料
1.3 高分子材料的应用
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1.3.1塑料 - Plastic
1870年31岁的印刷工人约翰•海厄特发明赛璐珞（硝化纤维+樟脑）
1907年贝克兰德发明酚醛树脂
40年代——合成高分子蓬勃发展时期：特别是乙烯类单体的 自由基聚合，如PVC、PS、PMMA、高压PE； 50年代——高分子化学的历史性发展时期：低压PE、PP；60年代——由于航空航天的需要而出现高温高分子的研究热：工程塑料
塑料
塑料是以合成树脂或天然树脂经化学改性后的产物为主要原料，适当加入填料、增塑剂及其它添加剂，在一定温度和压力等条件下成型各种具有一定结构强度的制品的材料。
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塑料的分类
按受热行为分
热塑性塑料
按使用范围和用途分
通用塑料
线型结构，能重复进行熔融、加工，能溶于适当溶剂
热固性塑料
立体网状结构，固化后受热不熔融，在溶剂中也不溶解
工程塑料
通用工程塑料
特种工程塑料
PE、PP、PVC、PS、酚醛树脂、氨基树脂
PA、PC、POM、PPO等
PI、PSF、PPS、PEEK、PTFE等
（100~150℃ ）
（>150℃ ）
在塑料的应用中，薄膜是用量最大的，其他依次是汽车与电器、管材、发泡制品、片材、日用品、容器、建材等。
现代生活中的高分子材料－塑料
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现代生活中的高分子材料－塑料
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现代生活中的高分子材料－工程塑料
塑料袋或塑料瓶上的可回收标志
现代生活中的高分子材料－工程塑料
7个数字
7种塑料
1：PET （聚对苯二甲酸乙二醇酯）
2：HDPE（高密度聚乙烯）
3：PVC（聚氯乙烯）
4：LDPE（低密度聚乙烯）
5：PP（聚丙烯）
6：PS（聚苯乙烯）
7：PC（聚碳酸酯）
现代生活中的高分子材料－工程塑料
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1.3.2 橡胶 - Rubber
橡树之泪
天然橡胶
硫化橡胶
合成橡胶
18世纪法国人在南美发现野生橡胶树19世纪中叶，英国人取橡胶树种子在斯里兰卡种植成功逐渐扩大到马来西亚与印尼等地
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橡胶的特性： 大分子链具有足够的柔性； Tg比室温低得多，在很宽的温度范围具有优异的弹性
橡胶的分类：
天然橡胶
特种合成橡胶
通用合成橡胶
合成橡胶
丁苯、顺丁、乙丙、丁基、氯丁橡胶等
丁腈、硅、氟、丙烯酸酯橡胶等
天然橡胶和聚异戊二烯
天然橡胶是用途最广泛的通用橡胶。大量用来制造轮胎和工业橡胶制品，如胶管、胶带。此外，还有雨衣、雨鞋、医疗卫生制品等。
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现代生活中的高分子材料－橡胶
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1.3.3 纤维 - Fiber
天然纤维
人造纤维
合成纤维
动物纤维：蚕丝、羊毛等植物纤维：棉花、麻等矿物纤维：石棉等
再生蛋白质纤维再生纤维素纤维：粘胶纤维、铜铵纤维纤维素酯纤维： 二乙酯、三乙酯纤维
杂链纤维
碳链纤维
尼龙涤纶氨纶
腈纶维伦氯纶丙纶
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涤纶，聚对苯二甲酸乙二醇 酯（PET）
尼龙66（聚己二酰己二胺）
上世纪40年代，英国的温费尔德
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纤维的特点： 长度比直径大很多 具有一定的柔韧性
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合成纤维
长丝纤维
短纤维
单丝：一根连续纤维复丝：8~100单丝组成
棉型：25~38mm，主要用于与棉混纺中长型：51~76mm毛型：70~150mm，主要用于与羊毛混纺
(km)
(几~十几cm)
按加工长度分：
合成纤维
常规纤维
特种纤维
按用途分：
尼龙（锦纶）涤纶、维纶丙纶
高功能纤维：医用功能纤维、光导纤维等
高性能纤维：氨纶、芳纶纤维、碳纤维等
尼龙——最结实的纤维
尼龙是由饱和二元胺与二元酸或ω-氨基酸通过缩聚反应制得的线型缩聚物，其产量占合成纤维的第2位。其中尼龙66产量最大，是己二酸与己二胺缩聚或己内酰胺开环聚合的产物，俗称锦纶。
尼龙
涤纶——最挺括的纤维
涤纶，即聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维，是对苯二甲酸与乙二醇的缩聚产物。易洗快干，纺织稳定性好，但易产生静电“的确良”，涤纶的纺织物，有纯纺的，也有与棉、毛混纺的
涤纶
涤纶可用于制造薄纱女衫、帷幕窗帘，在工业上可作轮胎帘子线、制作运输带、绳索等
腈纶——人造羊毛
腈纶是以丙烯腈为主要单体与少量其它单体共聚得到的聚合物。腈纶外观蓬松，手感柔软，其弹性和保暖性可与羊毛媲美。但耐磨性差、易静电、起球、不耐脏。
丙纶——最轻的纤维
丙纶纤维是以聚丙烯树脂为原料制备的一种合成纤维其外观似毛戎丝或棉，有蜡状手感和光泽密度小、强度高、吸湿性小、耐磨、不易皱、保温性好但耐光性和耐候性差，耐热性不好，染色困难常作衣料用，还可制作被絮、地毯，医学上用于替代棉纱布
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涂布在物体表面而形成的具有保护和装饰作用的膜层材料多组分体系：主要成膜物质、颜料、溶剂三种组分， 此外还包括填充剂、增塑剂、增稠剂、稀释剂等
发展方向：水性涂料、粉末涂料、电泳涂料、光固化涂料等
保护作用：防腐、增加物体表面硬度； 装饰作用： 可赋予物体表面丰富的色彩，还可修饰物体表面缺陷； 标志作用： 利用不同色彩来标示警告、危险、安全、前进、停止等信号； 特殊功能：隔热、防污、阻燃、导电、隐身（吸收电磁波）、 阻尼（吸收声波）、示温等。
作用：
1.3.4 涂料- Coating
（1）醇酸树脂（2）环氧树脂（3）氨基树脂（4）聚氨酯（5）丙烯酸酯类
1.3.4 涂料- Coating
醇酸树脂
醇酸树脂由多元醇、多元酸和脂肪酸聚合而成。醇酸树脂漆附着力强、光泽好、硬度大、保光性和耐候性好，可制成清漆、磁漆、底漆和腻子。
环氧树脂
常用的环氧树脂由双酚A和环氧氯丙烷缩聚而成。环氧树脂使用时，需经交联和固化。广泛应用于汽车制造、造船工业以及化工、电气工业。
聚氨酯
选用不同的异氰酸酯，与聚酯二醇、聚醚二醇、多元醇或其它树脂配用，可制得许多品种的聚氨酯漆聚氨酯漆具有耐磨性优异、附着力强、耐化学腐蚀等特点广泛用作地板漆、甲板漆、纱管漆等
丙烯酸酯类
（甲基）丙烯酸酯类树脂种类很多，有甲酯、乙酯、丁酯、乙基己酯等。这些树脂很少单独均聚，而用作共聚物中的软组分，苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈等作为硬组分。其共聚物具有耐光耐候、浅色透明、粘结力强等优点。
水性涂料
水性涂料是以水作主要溶剂或分散介质（1）水稀释型（2）胶体分散型（3）水分散型或乳胶型
粉末涂料
粉末涂料为固体粉末状的涂料，全部组分都是固体，可以采用喷涂、静电喷涂等工艺施工，再经过加热融化成膜。粉末涂料也可以分为热塑性粉末涂料和热固性粉末涂料。
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1.3.4 涂料- Coating
发展方向：水性涂料、粉末涂料、电泳涂料、光固化涂料等
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一般为多组分体系：聚合物、固化剂、增塑剂、填料和溶剂等。 是一种把各种材料紧密粘合起来的物质
按主要成分分：
胶粘剂
合成胶粘剂
天然胶粘剂
无机胶粘剂
有机胶粘剂
动物胶：骨胶、虫胶、鱼胶植物胶：淀粉、松香、阿拉伯树胶矿物胶：沥青、矿物腊
热塑性树脂：PVAc、PVA、PA热固性树脂：酚醛、环氧橡胶型：氯丁、丁腈、硅橡胶等
按使用形式分： 单组分胶粘剂 双组分胶粘剂
1.3.5 胶粘剂-Adhesive
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按形态分：
胶粘剂
水性胶溶剂型胶：氯丁、丙烯酸酯类等无溶剂型胶：环氧热熔胶：SBS、EVA压敏胶
水溶液水乳液
考虑点：被粘物、使用条件、环保、价格等
1.3.5 胶粘剂-Adhesive
粘合剂与被粘物体之间的结合力来自于两方面：一是物理作用，粘合剂渗透进被粘物体表面的洼陷处，起了锚泊的作用二是形成化学键或分子间相互作用力（包括范德华力、氢键）
锚泊效果
1.3.5 胶粘剂-Adhesive
常见的粘合剂有（1）环氧树脂粘合剂（2）酚醛树脂粘合剂（3）丙烯酸酯类粘合剂（4）其它常用粘合剂
1.3.5 胶粘剂-Adhesive
环氧树脂粘合剂
以环氧树脂为基料的粘合剂成为环氧树脂粘合剂，简称环氧胶，是目前应用最广的胶种之一。具有很强的粘合力，对大部分材料，如金属、木材、玻璃、陶瓷、橡胶、纤维、塑料、皮革等，都有很好的粘合能力，故称为 “万能胶”。
环氧树脂A、B胶
酚醛树脂粘合剂
酚醛树脂是酚类与醛类在催化剂作用下形成树脂的总称酚醛树脂胶的粘结力强、耐高温，优良配方可在300℃以下使用其缺点是颜色较深、性脆、剥离强度差主要用来胶接木材、木质层压板、胶合板、泡沫塑料，也可用与胶接金属、陶瓷。
丙烯酸酯类粘合剂
α-腈基丙烯酸酯α-腈基丙烯酸酯CH2=C（CN）COOR单体与增塑剂、增稠剂、稳定剂（如SO2）一起可以配成单组份胶，粘结力极强。R为丁基、乙基或庚基时，能被血液所润湿，将该单体喷涂在组织表面，可以形成薄膜止血。通过解聚，在2~3个月内，聚合物薄膜就能生化降解，在体内中和成尿酸，或分解成CO2和H2O，排除体外。厌氧性胶黏剂厌氧胶是一种新型胶种，它储存时与空气接触，一直保持液态，不固化，但一旦与空气隔绝就会很快固化而起到粘接或密封作用，因此称为厌氧胶。厌氧胶主要应用于螺栓紧固防松、密封防漏、固定轴承以及各种机件的胶接。
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1、合成纤维（synthetic fibre)2、合成橡胶(synthetic rubber)3、塑料(plastic)4、油漆涂料 (coating)5、粘合剂 (adhesive)
常规高分子材料：
功能性高分子材料:
1、功能性合成纤维；2、功能性合成橡胶；3、功能性塑料；4、功能性油漆涂料；5、功能性高分子粘合剂；6、光电功能高分子材料；7、功能性高分子树脂；8、功能性医用材料。
1.3.6 功能高分子材料
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吸附与分离功能树脂 反应型高分子（高分子试剂、高分子催化剂）功能高分子分离膜（分离膜、缓释膜、半透膜）电子聚合物（导电、发光、非线性光学材料）光敏性高分子材料（感光材料、光敏涂料等）高分子液晶医用功能材料功能高分子纳米材料功能高分子智能材料高分子生物材料
功能高分子的分类（Classification）（性质和功能）
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化学功能高分子材料
反应性高分子材料：高分子试剂、高分子催化剂(易分离)
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化学功能高分子材料
高吸水性高分子材料
离子交换树脂
高分子膜
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光功能高分子材料
液晶高分子——固态向液态转换时形成的一种具有特殊性质的中间相态，既具有液体的流动性，又具有晶体的双折射等光学各向异性；分子中具有刚性棒状结构。
制造具有高强度、高模量的纤维材料高分子液晶显示材料——光开关
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在塑料中加入蓄光型发光材料经加工就可制成发光塑料。发光塑料是近年来兴起的一种高附加值新型功能材料。其产品如：交通领域通道标识、楼梯标识、标志线；发光涂料、发光开光、发光壁纸、工艺品、玩具、体育休闲用品。