形状记忆高分子 智能高分子61页PPT
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智能高分子PPT课件
形状记忆高分子聚合物是Et本十年前率先开发出来的，属于 弹性记忆材料，形状记忆高分子 是一种新型的功能高分子材 料。
形状记忆高分子材料已广泛应用于航空航天、电子通讯、机 械制造、能源输送、医疗卫生等领 域。近年来，日、美、法 等国家不断有新的形状记忆高分子问世 ，我国也在这一领域 进行了大量的研究探索。
智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料 之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向 之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材 料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功 能多样化。
什么是智能材料
一般说来，智能材料有七大功能，即传感功能、反馈功能 、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复 能力和自适应能力。
申
具有形状记忆功能的高分子材料
形状记忆效应：
一定外界 条件下， 使材料成 为某形状 （起始态）
外界作用
环境因素（热、PH值、电、 磁等）刺激使材料应答
得到固定形状（固 定态）
高分子材料的形态记忆功能由其特殊的内部结构所决定。
• 在其内部存在着互相结合成网状的架桥,架桥的存在使高 分子链间不发生滑动。
从人类发展的历史证明，每一种重要材料的发现和利用，都 会把人类与自然和谐相处的能力提高到一个新的水平，给社 会生产力和人类生活带来巨大的变化，把人类物质文明和精 神文明向前推进一步。可以肯定的说，终有一天各种各样实 用的智能材料会大量出现在我们的面前。
随着新催化剂的研究和新的合成工艺以及纳米技术研究的深 入，在分子、甚至原子水平上实现材料的功能结构设计、复 合与加工生产成为可能。
• 把它加热到高于Tg 温度使之变形后,再冷却至室温,由于高 分子链运动变形使之保持一定状态。
形状记忆高分子材料已广泛应用于航空航天、电子通讯、机 械制造、能源输送、医疗卫生等领 域。近年来，日、美、法 等国家不断有新的形状记忆高分子问世 ，我国也在这一领域 进行了大量的研究探索。
智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料 之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向 之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材 料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功 能多样化。
什么是智能材料
一般说来，智能材料有七大功能，即传感功能、反馈功能 、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复 能力和自适应能力。
申
具有形状记忆功能的高分子材料
形状记忆效应：
一定外界 条件下， 使材料成 为某形状 （起始态）
外界作用
环境因素（热、PH值、电、 磁等）刺激使材料应答
得到固定形状（固 定态）
高分子材料的形态记忆功能由其特殊的内部结构所决定。
• 在其内部存在着互相结合成网状的架桥,架桥的存在使高 分子链间不发生滑动。
从人类发展的历史证明，每一种重要材料的发现和利用，都 会把人类与自然和谐相处的能力提高到一个新的水平，给社 会生产力和人类生活带来巨大的变化，把人类物质文明和精 神文明向前推进一步。可以肯定的说，终有一天各种各样实 用的智能材料会大量出现在我们的面前。
随着新催化剂的研究和新的合成工艺以及纳米技术研究的深 入，在分子、甚至原子水平上实现材料的功能结构设计、复 合与加工生产成为可能。
• 把它加热到高于Tg 温度使之变形后,再冷却至室温,由于高 分子链运动变形使之保持一定状态。
高分子智能材料全解PPT课件
将非电量转换为与之有确定关系的电量输出的装 置。
传感器分类
按输入量、输出量、工作原理、能量关系等分类 。
传感器基本原理
利用物理效应、化学效应或生物效应，将被测量 转换为电量。
高分子智能材料在传感器中作用机制
敏感元件
高分子材料作为敏感元件，能够感知被测量的变化并产生响应。
转换元件
将敏感元件产生的响应转换为电量输出。
• 高分子智能材料在高端制造和智能制造中的应用：高分子智能材料在高端制造 和智能制造领域具有广阔的应用前景，如智能传感器、智能执行器、智能机器 人等，将为现代制造业的发展注入新的活力。
THANKS
感谢观看
应用领域及前景展望
应用领域
高分子智能材料在传感器、驱动器、智能纺织品、生物医学、环保等领域具有 广泛的应用前景。
前景展望
随着科技的进步和需求的增长，高分子智能材料的应用领域将不断拓展，同时 对其性能的要求也将不断提高。未来，高分子智能材料将在智能化、多功能化 、环保化等方面取得更大的突破和发展。
02
控的释放行为等。
03
实践举例
列举几个成功应用高分子材料作为药物控释载体的案例，并分析其设计
思路和应用效果。
组织工程支架材料研究进展
组织工程支架材料的作用及要求
阐述组织工程支架材料在组织工程中的作用和所需满足的要求，如良好的生物相容性、适 当的机械性能等。
高分子材料在组织工程支架中的应用
分析高分子材料作为组织工程支架材料的优点和应用现状，如可降解高分子材料、水凝胶 等。
无免疫原性等。
安全性问题及对策
03
探讨高分子材料在生物医学应用中可能存在的安全性
问题，如毒性、致癌性等，并提出相应的解决策略。
传感器分类
按输入量、输出量、工作原理、能量关系等分类 。
传感器基本原理
利用物理效应、化学效应或生物效应，将被测量 转换为电量。
高分子智能材料在传感器中作用机制
敏感元件
高分子材料作为敏感元件，能够感知被测量的变化并产生响应。
转换元件
将敏感元件产生的响应转换为电量输出。
• 高分子智能材料在高端制造和智能制造中的应用：高分子智能材料在高端制造 和智能制造领域具有广阔的应用前景，如智能传感器、智能执行器、智能机器 人等，将为现代制造业的发展注入新的活力。
THANKS
感谢观看
应用领域及前景展望
应用领域
高分子智能材料在传感器、驱动器、智能纺织品、生物医学、环保等领域具有 广泛的应用前景。
前景展望
随着科技的进步和需求的增长，高分子智能材料的应用领域将不断拓展，同时 对其性能的要求也将不断提高。未来，高分子智能材料将在智能化、多功能化 、环保化等方面取得更大的突破和发展。
02
控的释放行为等。
03
实践举例
列举几个成功应用高分子材料作为药物控释载体的案例，并分析其设计
思路和应用效果。
组织工程支架材料研究进展
组织工程支架材料的作用及要求
阐述组织工程支架材料在组织工程中的作用和所需满足的要求，如良好的生物相容性、适 当的机械性能等。
高分子材料在组织工程支架中的应用
分析高分子材料作为组织工程支架材料的优点和应用现状，如可降解高分子材料、水凝胶 等。
无免疫原性等。
安全性问题及对策
03
探讨高分子材料在生物医学应用中可能存在的安全性
问题，如毒性、致癌性等，并提出相应的解决策略。
形状记忆PPT
形状记忆效应 马氏体
高温奥氏体快速冷却形成的体心立方 体心 体心立方或体心 体心立方 四角（正方）相。 四角
马氏体相变
由高温奥氏体（面心立方相）转变为低温马氏 体（体心立方或体心四角相）的无扩散 无扩散性相变。 无扩散 主要特征是： 主要特征 替换原子无扩散（成分不改变，近邻原子关系 替换原子无扩散 不改变） 切变（母相和马氏体之间呈位向关系） 切变 形状改变（抛光面呈现浮突） 形状改变
防止树脂 流动并记 忆起始态 的固定相
形状记忆聚合物
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固定相
聚合物交联结构或部分结晶结构， 聚合物交联结构或部分结晶结构，在工作温度 范围内保持稳定， 范围内保持稳定，用以保持成型制品形状即记忆 起始态。 起始态。
可逆相
能够随温度变化在结晶与结晶熔融态（ 能够随温度变化在结晶与结晶熔融态（Tm） 或玻璃态与橡胶态间可逆转变（Tg），相应结构 或玻璃态与橡胶态间可逆转变（ ），相应结构 发生软化、硬化可逆变化—保证成型制品可以改 发生软化、硬化可逆变化 保证成型制品可以改 变形状。 变形状。
形状记忆聚合物
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电致感应型SMP 电致感应型SMP
它是热致型 热致型形状记忆高分子材料与具有导电 热致型 导电 性能物质（如导电炭黑、金属粉末及导电高分子 性能 等）的复合材料 复合材料。 复合材料 其记忆机理与热致感应型形状记忆高分子相 同, 该复合材料通过电流产生的热量使体系温度 升高, 致使形状回复, 所以既具有导电性能，又 具有良好的形状记忆功能。
形状记忆陶瓷
陶瓷材料具有优良的物理性质，但不能在室温下 进行塑性加工，性质硬脆，因而限制了它的许多 应用。 在陶瓷中已经发现两种机制产生的形状记忆效应 1）粘弹性机制导致的形状回复 粘弹性机制导致的形状回复； 粘弹性机制导致的形状回复 2）和金属合金中相类似的马氏体相变及逆相变 和金属合金中相类似的马氏体相变及逆相变 有关的形状记忆；其中，马氏体可以是热诱发的 有关的形状记忆 ，应力诱发的，或外电场（磁场）诱发的。
智能高分子材料(完整版)ppt资料
〔6〕智能织物 防水透湿织物、变色纺织品、调温纺织品、智
能平安防护纺织品等。
8
4.2 高分子凝胶及体积相转变
高分子凝胶：复合体系
网络的交联结构——使它不溶解而保持一定的形状； 亲溶剂型基团——使它可被溶剂溶胀。
体积相转变： 溶胀相
收缩相
凝胶的体积随外界环境因子变化而产生不连续 变化的现象——凝胶的体积相转变。
★聚丙烯酸(PAAC)和聚N, N－二甲基丙烯酰胺 (PDMAAM)网络互穿形成的聚合物水凝胶 机理：氢键的形成与断裂。
13
(2)光敏感性凝胶 由于光辐射(光刺激)而发生体积相转变的凝胶
机理一：聚合物链上的光敏感分子的经光辐照后 发生光异构化，伴随几何结构的改变， 发生不连续的相转变。
机理二：光敏感分子发生光解离作用(即遇光分解 产生的离子化)，使凝胶内外离子浓度差 改变，造成凝胶渗透压突变，促使凝胶发 生溶胀做出光响应。
机理：随外界pH值变化，酸、碱基团的解离或 质子化程度相应改变，导致聚合物网络 结构单元的离子键或氢键状态改变；
18
(1) pH敏感性凝胶
★聚丙烯酸〔羧基电离〕
高pH值：溶胀 正、负离子间相互吸引——凝胶收缩；
(3)记忆功能高分子材料 结构特征：网络中含有大量易水解或质子化的酸、碱基团(如羧基或氨基)。 结构特征：网络中含有大量易水解或质子化的酸、碱基团(如羧基或氨基)。
体积发生变化的临界转化温度——低临界溶解温度 (lower critical solution temperatureture，LCST)。
12
高温收缩型 温度低于LCST时溶胀，高于LCST时收缩。
★聚异丙基丙烯酰胺(PNIPA) 机理：疏水基团的疏水作用。
低温收缩型 温度低于LCST时收缩，高于LCST时溶胀。
能平安防护纺织品等。
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4.2 高分子凝胶及体积相转变
高分子凝胶：复合体系
网络的交联结构——使它不溶解而保持一定的形状； 亲溶剂型基团——使它可被溶剂溶胀。
体积相转变： 溶胀相
收缩相
凝胶的体积随外界环境因子变化而产生不连续 变化的现象——凝胶的体积相转变。
★聚丙烯酸(PAAC)和聚N, N－二甲基丙烯酰胺 (PDMAAM)网络互穿形成的聚合物水凝胶 机理：氢键的形成与断裂。
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(2)光敏感性凝胶 由于光辐射(光刺激)而发生体积相转变的凝胶
机理一：聚合物链上的光敏感分子的经光辐照后 发生光异构化，伴随几何结构的改变， 发生不连续的相转变。
机理二：光敏感分子发生光解离作用(即遇光分解 产生的离子化)，使凝胶内外离子浓度差 改变，造成凝胶渗透压突变，促使凝胶发 生溶胀做出光响应。
机理：随外界pH值变化，酸、碱基团的解离或 质子化程度相应改变，导致聚合物网络 结构单元的离子键或氢键状态改变；
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(1) pH敏感性凝胶
★聚丙烯酸〔羧基电离〕
高pH值：溶胀 正、负离子间相互吸引——凝胶收缩；
(3)记忆功能高分子材料 结构特征：网络中含有大量易水解或质子化的酸、碱基团(如羧基或氨基)。 结构特征：网络中含有大量易水解或质子化的酸、碱基团(如羧基或氨基)。
体积发生变化的临界转化温度——低临界溶解温度 (lower critical solution temperatureture，LCST)。
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高温收缩型 温度低于LCST时溶胀，高于LCST时收缩。
★聚异丙基丙烯酰胺(PNIPA) 机理：疏水基团的疏水作用。
低温收缩型 温度低于LCST时收缩，高于LCST时溶胀。
形状记忆材料ppt课件
第十八章 机敏材料和智能材料
第十八章 机敏材料和智能材料
二、形状记忆合金 （三）形状记忆合金的应用 （3）汽车工业 （4）兵器工业 （5）航空航天工业
第十八章 机敏材料和智能材料
二、形状记忆合金 （三）形状记忆合金的应 用 （6）医疗器械
用于矫正牙齿拱 形金属丝、血凝块 过滤器、脊椎矫正 棒、人工股关节、 接骨板、人工肾微 型泵、人工心脏收 缩活门，手术固定 器和避孕器具等。
第十八章 机敏材料和智能材料
一、形状记忆材料的概念
第十八章 机敏材料和智能材料
一、形状记忆材料的概念 形状记忆材料 （shape memory materials，简称 SMM）是指具有一定初始形状的材料经形变并固定成另一 种形状后，通过热、光、电等物理剌激或化学剌激的处 理又可恢复成初始形状的材料。 包括: 形状记忆合金 高聚物 陶瓷
特性 晶粒度/μm 转变温度/℃ Tas-Taf/℃ 回复应力／MPa 单向形状记忆 双向形状记忆 107次之后
NiTi 1-10 -50-100 30 400 ８％ 6.0％ 0.5%
CuZnAl 50-100 -200-170 10-20
200 ５％ 1.0％ 0.5%
CuAlNi 25-60 -200-170 20-30
发生拟弹性形变时，诱发了马氏体相变，去除外力 后，又发生马氏体逆相变，恢复原状。(为什么)
第十八章 机敏材料和智能材料
二、形状记忆合金 （三）形状记忆合金的应用 （1）机械工业
SMA弹簧逆相变 伸长? 缩短?
SMA弹簧元件温度-位移特性测量装置原理图
SMA弹簧元件在一定负载下的温度-位移曲线
（3）去掉外力后塑性变形保留而形状 L +ε 不变。
第4章智能高分子材料课件
质子化程度相应改变，导致聚合物网络
结构单元的离子键或氢键状态改变；
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(1) pH敏感性凝胶 ★聚丙烯酸（羧基电离） 高pH值：溶胀 低pH值：收缩 ★壳聚糖 (CS － NH2) 与聚丙二醇聚醚 (PE) 的半 互穿聚合物
冷却 加热
混浊
★离子化的部分水解聚丙烯酰胺凝胶置于水－丙酮溶 液中 随溶剂浓度和温度变化，凝胶溶胀或收缩数倍。
新的研究领域：灵巧凝胶、智能凝胶
4
智能高分子材料的研究内容：
(1)智能高分子凝胶 ——刺激响应性高分子凝胶 受到环境刺激时会随之响应，发生结构、物
理性质、化学性质变化的凝胶。
单一响应性 —— 压力、温度、光强、电 ( 磁 ) 场、 组成、pH值、离子强度、特异 的化学物质刺激； 双(多)重响应性——热-光、磁－热、pH值－离 子刺激等。
13
(2)光敏感性凝胶Fra bibliotek由于光辐射(光刺激)而发生体积相转变的凝胶
机理一：聚合物链上的光敏感分子的经光辐照后 发生光异构化，伴随几何结构的改变， 发生不连续的相转变。
机理二：光敏感分子发生光解离作用 ( 即遇光分解 产生的离子化 ) ，使凝胶内外离子浓度差 改变，造成凝胶渗透压突变，促使凝胶发 生溶胀做出光响应。
接触电场：部分水解的聚丙烯酰胺凝胶浸入50% 的丙酮水溶液中 非接触电场：聚乙烯醇(PVA)与聚丙烯酸(PAA) 共混物弯曲
应用：化学开关、药物释放体系、人工肌肉 17
4.3.2 化学刺激响应性
(1) pH敏感性凝胶
随pH值的变化发生溶胀或收缩的凝胶。 结构特征：网络中含有大量易水解或质子化的 酸、碱基团(如羧基或氨基)。 机理：随外界 pH 值变化，酸、碱基团的解离或
智能高分子材料讲解PPT课件
加热
将其冷却到可逆相结晶硬化的温度以下，材料保待A 形状。 ——SMP没有双程记忆效应
第12页/共96页
热致形状记忆反应过程简图
第13页/共96页
8.5.3光致SMP
• 一定方式引入光致变色基团，光照时候，基团发生异构反应传递给侧链，引发宏 观变形，光照取消后，可逆反应
第14页/共96页
8.5.3光致SMP
形状记忆聚合物(SMP)
具有初始形状的聚合物制品经形变固定后， 通过加热等外部刺激手段的处理又可恢复初始形 状的聚合物。
优点：形变量大、形变加工方便、形状恢复温度易 于调整、电绝缘性和保温效果好、不生锈、 易着色、可印刷、质轻、耐用、价格低廉。
缺点：强度低、形变恢复驱动力小、刚性和硬度低、 稳定性差、性能易受外部环境的物理、化学 因素的影响，易燃烧、耐热性差、易老化、 使用寿命短。
第15页/共96页
8.5.3光致SMP
第16页/共96页
热致SMP与SMA的形状记忆效果比较：
(1)SMA的形变量低，一般在l0％以下，而SMP较高， 形状记忆聚氨酯和TPI均高于400％。
(2)SMP的形状恢复温度可通过化学方法调整；如形 状记忆聚氨酯的恢复温度范围为30－70℃，具体 品种的SMA的形状恢复温度一般是固定的。
热致形状记忆高分子种类
聚烯烃类： 耐高温 耐腐蚀场合 聚酯类：耐热 耐化学药品-医用 聚氨酯类：建筑 医学
第6页/共96页
8.5.2 热致SMP 在室温以上一定温度变形并能在室温固定形变且
长期存放，当再升温至某一特定响应温度时，能很快 回复初始形状的聚合物。
两相结构：固定相＋可逆相
固定相：聚合物交联结构或部分结晶结构，在工作温 度范围内保持稳定，用以保持成型制品形状 即记忆起始态。
第9章 智能高分子材料ppt课件
2
美国麻省理工学院田中丰一教授早在1975年就发现，当 冷却聚丙烯酰胺凝胶时，凝胶可由透明逐渐变得混浊；加 热凝胶时，它又转为透明。这类可逆过程与聚合物网络的 体积相转变有关。他进一步将离子化的部分水解聚丙烯酰 胺凝胶置于水-丙酮溶液中，发现溶剂浓度或温度的微小变 化可使凝胶突然溶胀到原来尺寸的数倍或收缩成紧缩的物 质。田中丰一的这一发现开辟了一个新的研究领域——“灵 巧凝胶”或“智能凝胶”。
这类凝胶球的体积脉冲变化和心脏的 跳动颇为相似。用显微镜观察条状凝 胶(1 mm×1 mm×20 mm)可看到数十 微米尺度的振荡。历时约5 min的化学 振荡在凝胶内可诱发连续的化学波， 使凝胶长度方向上的颜色发生变化， 每次振荡形成的图案等速迁移6 mm。 人们期望将此系统用于微驱动元件、 微泵及与细胞循环或人生物律动同步 的系统。
该智能水凝胶以液状滴入眼后响应眼内的较高温度变得粘稠， 又由于具有对剪切的敏感性，当每次眨眼时又变成流体状，从 而在眼内完全铺展开，保持药物释放数小时。
21
9.4.3.2仿分泌颗粒体释放 分泌细胞含有由聚阴离子网络组成的亚微颗粒体，在水合
氢离子和弱碱性阳离子存在时收缩。作为许多颗粒体结合内源 介体(如组胺、5-羟色胺和蛋白酶)的渗透内存载体，该网络被 埋于脂质膜中。细胞颗粒体响应外界生物化学信号时可分泌此 类物质。
胆甾醇印迹聚合物
葡萄糖敏感P(MMA-g-PEG)凝胶作用机理 15
9.3.2.3振荡反应响应
日本学者开发了响应内源刺激的凝胶。他们将典型 的振荡反应——பைடு நூலகம்elousov-Zhabotinsky(Bz)反应催化 剂钌以三(2，2’-双吡啶) 钌(Ru(bpy)3 )的乙烯基取代 衍生物形式引入到温敏性聚异-丙基丙烯酰胺 (PNIPAAm )凝胶中制备了自振荡凝胶。
美国麻省理工学院田中丰一教授早在1975年就发现，当 冷却聚丙烯酰胺凝胶时，凝胶可由透明逐渐变得混浊；加 热凝胶时，它又转为透明。这类可逆过程与聚合物网络的 体积相转变有关。他进一步将离子化的部分水解聚丙烯酰 胺凝胶置于水-丙酮溶液中，发现溶剂浓度或温度的微小变 化可使凝胶突然溶胀到原来尺寸的数倍或收缩成紧缩的物 质。田中丰一的这一发现开辟了一个新的研究领域——“灵 巧凝胶”或“智能凝胶”。
这类凝胶球的体积脉冲变化和心脏的 跳动颇为相似。用显微镜观察条状凝 胶(1 mm×1 mm×20 mm)可看到数十 微米尺度的振荡。历时约5 min的化学 振荡在凝胶内可诱发连续的化学波， 使凝胶长度方向上的颜色发生变化， 每次振荡形成的图案等速迁移6 mm。 人们期望将此系统用于微驱动元件、 微泵及与细胞循环或人生物律动同步 的系统。
该智能水凝胶以液状滴入眼后响应眼内的较高温度变得粘稠， 又由于具有对剪切的敏感性，当每次眨眼时又变成流体状，从 而在眼内完全铺展开，保持药物释放数小时。
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9.4.3.2仿分泌颗粒体释放 分泌细胞含有由聚阴离子网络组成的亚微颗粒体，在水合
氢离子和弱碱性阳离子存在时收缩。作为许多颗粒体结合内源 介体(如组胺、5-羟色胺和蛋白酶)的渗透内存载体，该网络被 埋于脂质膜中。细胞颗粒体响应外界生物化学信号时可分泌此 类物质。
胆甾醇印迹聚合物
葡萄糖敏感P(MMA-g-PEG)凝胶作用机理 15
9.3.2.3振荡反应响应
日本学者开发了响应内源刺激的凝胶。他们将典型 的振荡反应——பைடு நூலகம்elousov-Zhabotinsky(Bz)反应催化 剂钌以三(2，2’-双吡啶) 钌(Ru(bpy)3 )的乙烯基取代 衍生物形式引入到温敏性聚异-丙基丙烯酰胺 (PNIPAAm )凝胶中制备了自振荡凝胶。
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形状记忆高分子Βιβλιοθήκη 智能高分子11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(名 言网)
13、遵守纪律的风气的培养，只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致，是 取得最 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根