第一章功能高分子材料概论
1-《材料物理性能》-第一章-概论
材料物理性能第一章：概论本节主要内容(一)材料及其性能研究的重要性(二)知识体系1、材料的概念2、材料的分类3、材料科学与工程专业(三)课程简介(四)第一章：材料物理性能概论材料及其性能研究：贯穿于整个人类的文明史。
人类使用的材料，决定了人类的文明程度。
实质上——主要取决于材料的性能如何。
材料的重要性Michael Faraday 电气时代:电磁材料超级计算机个人电脑材料是信息社会的基石！传感器件半导体芯片半导体技术液晶材料光学材料金属、高分子材料磁性材料移动通讯数码拍照拍照功能显示功能外壳信号接受对话功能电子线路照片存储介电材料移动网络语音、视频本节主要内容(一)材料及其性能研究的重要性(二)知识体系1、材料的概念2、材料的分类3、材料科学与工程专业(三)课程简介(四)第一章：材料物理性能概论◼材料(materials)的概念：➢材料是人类社会所能接受的、可经济地制造有用物品的物质。
➢材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的物质的统称。
材料是人类赖以生存和发展的物质基础,与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。
20世纪70年代，把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。
80年代，以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。
◼材料的分类：➢按照人为加工程度区分：✓天然材料：自然界原来就有未经加工或基本不加工可直接使用•如棉花、沙子、石材、蚕丝、煤矿、石油、铁矿、羊毛✓合成材料：人为把不同物质经化学方法或聚合作用加工而成•如塑料、合成纤维和合成橡胶天然材料材料合成材料◼材料的分类：➢按照物理化学属性区分：✓金属材料✓无机非金属材料✓有机高分子材料✓复合材料➢按照用途区分：✓建筑材料、电子材料✓航空航天材料、核材料✓生物材料、能源材料✓。
金条铜阀玻璃水泥高分子材料碳纤维复合材料◼材料的分类：➢按照结晶状态区分：✓晶体(单晶、多晶)：短程有序，长程有序✓非晶：短程有序，长程无序✓准晶：介于晶体和非晶之间，长程有序，但无平移对称性(如：5次旋转对称性)✓液晶：由固态向液态转化过程中存在的取向有序流体非晶玻璃NaCl 晶体2011诺贝尔化学奖“发现准晶体”[铝锰合金]达尼埃尔·谢赫特曼◼材料的分类：➢按照使用性能区分：◼复杂性能◼化学性能◼物理性能◼力学性能③使用性能②工艺性能①复合性能③抗渗入性②耐腐蚀性①抗氧化性④刚性③延性②韧性①强度⑥辐照性能⑤声学性能④光学性能③磁学性能②电学性能①热学性能结构材料功能材料新材料？知识体系◼材料科学与工程：是关于材料的➢组成与结构（composition and structure ）➢合成与加工（synthesis and processing ）➢基本性质（proporties ）➢与服役性能（performance ）这四个要素➢以及它们两两之间的互相联系的学科。
【精品课件】药用高分子材料
1.2 高分子的基本特点
分子量多大才算是高分子？ 其实，并无明确界限，一般
- - - - - < 1000 < - - - - - - - - - - - - < 10000 < - - - - -
低分子
过渡区（齐聚物）
高聚物
一般高分子的分子量在 104 ～106 范围
超高分子量的聚合物 的分子量高达106 以上
C H
1,2-加成结构 反式1,4-加成结构 顺式1,4-加成结构
1.4 高 分 子 链 结 构
而异戊二烯则可形成四种不同的单体单元：
异戊二烯:
CH 3 H2C CH C CH2
CH2 CH C CH3 CH 2
3,4-加成
CH 3 CH2 C
CH CH 2
1,2-加成
CH 2
C H
CH 3 C
CH 2
（3）纤维 氯纶 PVC 丙纶 PP 腈纶 PANC
聚氯乙烯 聚丙烯 聚丙烯腈
1.3 高 分 子 的 命 名
3. IUPAC系统命名法
(1) 确定重复结构单元；
(2)给重复结构单元命名：按小分子有机化合物的IUPAC 命名规则给重复结构单元命名；
(3)给重复结构单元的命名加括弧（括弧必不可少），并 冠以前缀“聚”。
药用高分子材料
主讲教师：王旭
教材：《药用高分子材料学》 郑俊民主编
第一章 概论
1.1 高分子材料的基本概念
什么是高分子?
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
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。
高分子的基本知识
4、对于高分子的强度等物性，存在着一个临界分子量M0， 超过这个分子量时开始出现强度。当分子量超过MS时强度达 到一定值。
物 性
M0 分子量 分子量与物性的关系图
Ms
H－(CH2)n－H的分子量与性质
n
分子量
性质
名称
用途
1
16
气体
甲烷燃气Biblioteka 6 ～886～114
易挥发液体
石脑油、石油英、 粗汽油
溶剂
18～22
254～310
半固体/油脂状
凡士林
医药、化妆品
20～30
282～422
固体
石蜡
蜡烛等制品
2000～20000
28000～280000
强韧的固体
聚乙烯
薄膜等
第一章 高分子材料概论
第三节 高分子的基本知识
高分子与低分子的区别在于前者分子量很高，通常：
1、分子量高于约10000的称为高分子(polymer)； 2、分子量低于约1000的称为低分子；
3、分子量介于两者之间的称为低聚物(oligomer，又称齐聚物)。
4、一般高聚物的分子量为10000～1000000，分子量大于这个范 围的又称为超高分子量聚合物。
5、一般高分子又可称为大分子、聚合物、高聚物等。
Polymer~~聚合物、高聚物
Macromolecule~~大分子、高分子。
低分子
高分子
n CH 2＝CH2
n为聚合度
－(CH 2－CH2)－n
1、高分子是有机化合物。 2、分子量高所带来的性质上的变化，主要是使高分子化合 物具有一定的机械强度。这样，高分子化合物就不同于一般 有机化合物，而可以作为材料使用。 3、人们还可以根据高分子的结构特征，利用各种手段，改 变这些结构，以制造出所需性能的产品；还可以引入具有功 能性的基团，制造出有功能的材料。
第一章功能材料概论-哈工大版PPT课件
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考虑到上述各种因素之后，有人提出材 料应该定义为：
人类社会所能够接受的经 济地制造有用器件的物质
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2、 材料科学及其发展
第一代（天然材料）：自然界的矿物、植物以及动物 第二代（烧炼材料）：烧结：砖瓦、陶瓷、玻璃、水泥；
功能材料概论
Introduction to Functional Materials
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课程简介
课程性质：专业基础课
先修课程：无机化学，物理化学，高分子化学，高分子物理
总 学 时： 36学时
教 材：《功能材料概论》殷景华 王雅珍等编
参 考 书： 现代功能材料及其应用—郭卫生, 汪济奎 功能材料学——周馨我 新型功能材料—— 贡长生，张克立
课程内容： 1．功能材料的科学基础
2．金属功能材料
3．无机非金属功能材料
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4．功能高分子材料
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第一章 绪 论
现代文明的三大支柱-----能源、信息和材料。 材料是一切技术发展的物质基础。
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一、材料科学及其发展
1、 什么是材料？
材料是可以用来制造有用的构件、器 件或物品的物质。师昌绪主编：《材料大辞典》
冶炼：铜铁 第三代（合成材料）：20世纪初出现化工产品，塑料、
橡胶、纤维等已广泛用于生活。 第四代（可设计材料）：前三代为单一产品，于是根据需
要设计特殊性能的材料。例20世 纪40年代的复合材料 第五代智能材料： 近三、四十年研制的新型功能材料， 例记忆合金等。
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高分子物理(第三版)第一章--绪论
1920年，H. Staudinger发表了他的划时代的文献《论聚合》。他根据实验结 果，论证了聚合过程是大量的小分子自己结合起来的过程。大量实验事实雄辩 地证明了大分子的存在，人们又称它为“高分子”或“聚合物”。高分子学说得到 愈来愈多科学家的承认。
至1930年左右，高分子学说终于战胜了胶体缔合论。这一时期是高分子学说 的争鸣时期，是一个重要的里程碑。从此，高分子科学得到了欣欣向荣的健康 发展。
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¾20世纪50年代后高分子物理的发展。
20世纪50年代后半期由Ziegler发现，Natta发展的配位催化剂引发的定向聚合， 使高分子的结构和物性理论受到很大的推动。 用这种催化剂，除了能控制乙烯基聚合物的不对称碳原子的立体构型，控制双 烯类聚合物的顺反异构以外，还使烯烃的低压聚合成为可能。这一成果促进了 结晶结构和旋转位能的研究。 从无支化的低压聚乙烯中首次观察到高分子单晶，以致发现了高分子特有的高 次结构，而这种高次结构与各种物理性质有很大的关系。
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参考教材或资料： 1、何曼君等，高分子物理，复旦大学出版社，2007年;
2、郝立新等，高分子化学与物理，北京：化学工业出版社，1997年 3、H.S. Kaufman,J.J.Falcetta,Introduction to Polymer Science and Technology:An SPE Textbook,John Wiley & Sons Inc,New York,1977
高分子化学与物理 (Polymer Chemistry & Physics)
第二部分：高分子物理 （Polymer Physics)
第一章 绪论
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1. 概论
高分子材料的基本概念
纤 维
性 质 和 用 途 橡 胶 涂 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。
胶粘剂
功能高分子
(三) IUPAC系统命名法 (1) 确定重复结构单元；
(2) 按规定排出重复结构单元中的二级单元循序：规定主 链上带取代基的C原子写在前，含原子最少的基团先写；
(3) 给重复结构单元命名：按小分子有机化合物的IUPAC 命名规则给重复结构单元命名； (4) 给重复结构单元的命名加括弧，并冠以前缀“聚”。 括弧必不可少
CH3CH2-(CH2CH2)n-CH2CH3
(四)单体单元 聚合物分子结构中由单个单体分子生成的最大的结构单元。 (五)聚合度 单个聚合物分子所含单体单元的数目。
聚合物
聚对苯二甲酸乙二酯， 涤纶，PET
HO O (C O C OCH2CH2O ) n HO O C
单
O C
体
+ OH HOCH2CH2OH
单体单元
O C O C
聚合度
2n n
OCH2CH2O O C O C OCH2CH2O
O C
O C OCH2CH2OH
（六）均聚物
由一种（真实的、隐含的或假设的）单体聚合而成的聚合物。 如： CH2CH 氯乙烯单体 Cl
O C O C OCH2CH2O
由对苯二甲酸和乙二醇反应 生成的“隐含单体”： HOቤተ መጻሕፍቲ ባይዱC-Ph-COOCH2CH2OH “假设单体”：乙烯醇
高分子课件(第一章)
远程结构
高分子的大小（分子量 极其排布） 高分子的形态（刚柔性 ）
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2.高分子的聚集态结构
晶态结构 非晶态结构 取向态结构 液晶态结构 织态结构（高次结构）
第三层次结构
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高分子的链结构：又称一级结构，它表明单个高分子链 中原子或基团的集合排列，即分子内结构。
近程结构：第一层次结构，指单个高分子内一个或几个 结构单元的化学结构和立体化学结构。
高聚物：重复单元数较多，增减几个单元不影响其物理性 质。
低聚物：重复单元数较少增减几个单元对其物理性质有显 著影响，或分子中仅有少数几个重复单元，其性质无显著 的高分子特性，类同于一般低分子化合物。
∴ 高分子化合物是不同大小分子量的同系混合物，以高 聚物为主体，含有少量低聚物，在总体上表现出高分子物 理-力学性能。也称聚合物。
分子量：104～106，原子数103～105个。 高分子与低分子是以相对分子量区别：
大于10000→高分子； 1500～10000中等分子化合物； 小于1000～1500低分子。
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高分子的巨大分子量和它的特殊结构，所以具 备低分子没有的一系列独特的物理-力学性能：
力学性能
形变性能：弹性、粘性、粘弹性 断裂性能：强度、韧性
远程结构：第二层次结构，指单个高分子的大小和在空 间所存在的各种形态和构象。
高分子的聚集态结构：又称二级结构，是高分子整体的 结构，指单位体积内许多大分子链间的排列堆砌方式， 即分子间结构。
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※ 高分子的链结构（一级结构）是反映高分子各种特 性的主要结构层次，直接影响聚合物的某些特性，如 熔点、密度、溶解性能、黏附性、黏度等。 ※ 高分子的聚集态结构决定聚合物制品使用性能的主 要因素。
高分子概论高分子合成材料课件.ppt
度
划
分
次结构型胶粘剂
——介于结构型与非结构型胶粘剂之间
高分子概论高分子合成材料课件
胶粘剂 —— 胶粘剂类型
有 机
动物胶：鱼胶、骨胶、虫胶 天然 植物胶：淀粉、松香、阿拉伯树胶
胶 粘 按剂 组
热塑性树脂胶：PVAc、PA、聚丙烯酸酯 合成 热固性树脂胶：环氧树脂、酚醛树脂
橡胶型胶粘剂：氯丁胶、丁腈胶
CH2OH
n
工程塑料
聚酰胺（polyamide）/ 尼龙（nylon）：
nylon-6、 nylon-11、 nylon-12、nylon-66、
nylon-610、 nylon-612、 nylon-1010、 nylon-1212
Nomex： O
OH
H
C
Kevlar： 聚碳酸酯（PC）：
O
CN
通用塑料：产量大、价格低、力学性能一般，主要作为非结构 材料使用，如：PP、PE、PVC、PSt等。
工程塑料：产量小、价格高、力学性能优异、耐热、耐磨、尺 寸稳定，主要作为结构材料使用，如：PA、PC、POM 等。
塑料的主要优点：质轻、电绝缘、耐化学腐蚀、易成型加工。 塑料的主要缺点：力学性能较金属差、表面硬度低、多数易
Ox n
天然纤维
高分子材料概述——纤维
棉花、羊毛、蚕丝、麻
人
造
纤
化维
学 纤 维
杂 链 合纤
成维
纤 维
碳 链
纤
维
再生蛋白质纤维 再生纤维素纤维：粘胶纤维、铜氨纤维 纤维素酯纤维：二醋酯纤维、三醋酯纤维
聚酰胺纤维、聚酯纤维、聚氨酯弹性纤维 其它：聚脲、聚甲醛、聚酰亚胺
聚酰胺-酰肼、聚苯并咪唑等。
材料概论各章节教学内容
《材料概论》部分章节内容第一章绪论材料科学与工程的概念；材料发展简史；材料的分类；材料的基本结构与性能；材料类专业的培养目标、毕业要求、课程体系以及就业与发展。
第二章无机非金属材料陶瓷材料的定义、结构特点；日用陶瓷和先进陶瓷的成分差异、性质差异；陶瓷键作用和其性质之间的联系；日用陶瓷和先进陶瓷的生产工艺；日用陶瓷和先进陶瓷制备原材料、制备方法上的差异性；陶瓷在航空、信息、电子等领域的最新发展。
玻璃的成分、定义和分类方法；晶态、无定形结构形式的区分；形成体、修改体的作用；退火的作用和机理；玻璃的化学性质的特点和外来侵蚀作用的主要机理；现代平板玻璃的生产工艺；玻璃在光电领域、通讯领域的应用。
水泥混凝土材料的基本技术性质和生产方法；水化反应过程、水化产物的成分、硬化浆体水泥的微观结构；新型特种混凝土简介：自密实混凝土、装饰混凝土、轻质混凝土、超高性能混凝土、大体积混凝土、聚合物混凝土和清水混凝土。
第三章金属材料金属的分类方法和结构特点；黑色金属的成分特点；铁和钢的基本区别；合金钢的基本类型和合金元素对其性质的影响、铸铁和钢的生产方法；有色金属的基本类型；镁及其合金、铝及其合金、铜及其合金的特点；典型金属与合金的物理、力学性能，稀有金属及其特点；金属晶体结构和性能之间的联系；常用的金属防腐处理方法；新型金属材料的设计与性能。
第四章高分子材料高分子材料的定义、结构；高分子材料和小分子材料的差异；结构和性质之间的联系；连锁聚合反应机理；逐步聚合反应机理；聚合方法：本体聚合、溶液聚合、乳液聚合和悬浮聚合；高分子材料生产过程和质量控制；功能高分子材料简介；高分子材料在生物、军事、医学上的最新发展。
第五章复合材料复合材料的定义；复合材料的主要成分和设计原则；复合材料的基本体系、典型物理、力学性质，及其优点；增强材料处理的基本方法和途径；复合材料结构对力学性质的影响；复合材料的制备和生产；复合材料在军事、结构上的应用；新型复合材料的发展趋势。
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Materials)、特种材料(Speciality Materials))或精细材料 (Fine Materials)。
功能材料涉及面较广，具体包括光、电功能，磁功能， 分离功能，形状记忆功能等。
这类材料相对于通常的结构材料而言，一般除了具有机 械特性外，还具有其他的功能特性。
新石器时代 ：始于距今8 000年前 青铜时代 ：希腊、埃及始于公元前3 000年以前，中国始
于公元前1 800年。青铜是铜和锡的合金。 铁器时代 ：约始于公元前1 400年人类开始锻造铁器制造
工具，促进了社会生产力的发展。 高分子时代 (Polymer age):
1.1高分子材料发展史
15世纪 美洲玛雅人用天然橡胶做容器，雨具等生活用品。 1839年 美国人Charles Goodyear发现天然橡胶与硫磺共热后 明显地改变了性能，使它变为富有弹性、可塑性的材料。 1869年 美国人John Wesley Hyatt把硝化纤维、樟脑和乙醇的 混合物在高压下共热，制造出了第一种人工合成塑料“赛璐 珞”。 1887年 法国人Count Hilaire de Chardonnet用硝化纤维素的 溶液进行纺丝，制得了第一种人造丝。 1909年 美国人Leo Baekeland用苯酚与甲醛反应制造出第一种 完全人工合成的塑料——酚醛树酯。
支化型
Branched Polymer
交Hale Waihona Puke 型Crosslinked Polymer
星型及树状
Star Polymer Dendrimer
3.高分子学科
高分子化学（Polymer chemistry) 合成机理、结构设计、控制方法。
高分子物理（Polymer physics) 物理性质、结构与性能的关系。
1920年 德国人Hermann Staudinger发表了“关于聚合反应”的 论文提出：高分子物质通过化学键连接在一起的大分子化合物。
1926年 美国化学家Waldo Semon合成了聚氯乙烯，并于1927年 实现了工业化生产。 1932年 Hermann Staudinger总结了自己的大分子理论，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。 1935年 杜邦公司基础化学研究所有机化学部的Wallace H. Carothers合成出聚酰胺66，即尼龙。尼龙在1938年实现工业化 生产。 1930年 德国人用金属钠作为催化剂，用丁二烯合成出丁钠橡胶和 丁苯橡胶。
材料的特定的功能与材料的特定结构是相联系的。如对 于导电聚合物来说，它一般具有长链共轭双键；金属结构中 由于弹性马氏体相变能产生记忆效应，因此出现了形状记忆 合金；压电陶瓷晶体必须有极轴等。
功能高分子的特点 1.用途特殊，专一性强 2.品种多，用量不大 3.质量轻（与其它功能材料相比） 4.制备途径多，可设计性强
功能高分子材料概论
材料工程学院 周健
学习要求 学时：32学时 理论讲座：28学时 论文写作：4学时 论文写作要求:
字数不得低于4000字，题目自拟。总体要求反应某种功 能高分子材料研究、应用进展情况。独立完成。
参考教材： 1.李青山 主编.功能高分子材料，机械工业出版社，2009 年1月 2.焦剑，姚军燕 主编.功能高分子材料，化学工业出版社， 2007年8月 3.王国建，王德海，邱军等编著.功能高分子材料，华东理 工大学出版社，2006年8月 4.王国建，刘琳 编著.功能高分子材料，同济大学出版社， 2010年1月 5.马建标 主编.功能高分子材料（第二版）， 化学工业出 版社，2010年1月
（3）物理化学功能 ①电学功能材料：如超导体，导电高分子等； ②光学功能材料：如光导纤维、感光性高分子等； ③能量转换材料：如压电材料、光电材料。
高分子工艺学（Polymer technology） 合成工艺、加工工艺。
后起之秀，生气勃勃
英国全速敞篷汽车，时速100公里/小时，重量为 普通车1/3
飞机内装饰
高铁车厢装饰
高铁机车
冰箱部件
空调部件
宇航服材料
轮胎材料
1.3 功能高分子材料
1.3.1功能材料的概念 功能材料是指通过光、电、磁、热、化学、生化等作用后
1.3.2 功能材料的分类 随着技术的发展和人类认识的扩展，新型的功能材料不
断被开发出来，因此对其也产生了许多不同的分类方法。从 功能的不同考虑，可将功能材料分为以下四类。
(1)力学功能 主要是指强化功能材料和弹性功能材料，如高结晶材
料、超高强材料等。
(2)化学功能 ①分离功能材料：如分离膜，离子交换树脂、高分子络合物； ②反应功能材料；如高分子试剂、高分子催化剂； ③生物功能材料：如固定化菌，生物反应器等。
1.2高分子基本概念
1.什么是高分子？ 定义：高分子量的化合物 (>10000)。 别称：聚合物 － Polymer
高聚物－High polymer 大分子－Macromolecule 比较：低聚物(<10000)－Oligomer
或齐聚物，寡聚物。
2.聚合物结构类型
线型
Linear Polymer
人类从起源以来 就同高分子结下不解之缘
生命体系其根本
都是由高分子组成
衣食住行 离不开高分子材料
第一章 功能高分子基本概念
1.1高分子材料发展史 1.2高分子基本概念 1.3 功能高分子材料 1.4 功能材料的发展现状 1.5 国内、外功能材料社会经济发展需求
材料与时代
石器时代 ：即从出现人类到铜器的出现、大约始于距今二 三百万年、止于距今6000至4000年左右。
1940年 英国人T. R. Whinfield合成出聚酯纤维（PET）。 1948年 Paul Flory 建立了高分子长链结构的数学理论。 1953年 德国人Karl Ziegler与意大利人Giulio Natta分别用金属 络合催化剂合成了聚乙烯与聚丙烯。 1955年 美国人利用齐格勒-纳塔催化剂聚合异戊二烯，首次用人 工方法合成了结构 与天然橡胶基本一样的合成天然橡胶。 1956年 Szwarc提出活性聚合概念。高分子进入分子设计时代。 1970年以后 高分子合成新技术不断涌现，高分子新材料层出不穷。