功能材料概论总复习

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聚合度变小的化学转变－聚合物的降解
聚合物的降解反应是指聚合物分子链在机械力、热、高能 辐射、超声波或化学反应等的作用下，分裂成较小聚合 度产物的反应过程。 聚合物的降解可分为：（1）热降解；（2）化学降解 （3）光降解；（4）氧化降解；（5）机械降解等。 化学因素：水、醇、酸
聚合物降解的因素
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（b）液态储氢 液化储氢是将氢气液化后储存在真空罐里 。 优点：体积能量密度高。 缺点：液化耗能高(4~10kw· h/kg)；易蒸发损失；对储槽绝热和耐 低温性 能要求高。
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（c）有机溶剂储氢 有机溶剂储氢技术是借助苯、甲苯(Toluene，简 称 TOL)等储氢剂与氢载体环己烷(Cyclohexane，简称Cy)、甲基环己烷 (Methylcyclohexane，简称MCH)和氢气的一对可逆反应来实现氢的储 放，简称MTH系统(甲基环己烷、甲苯、氢气)和CBH系统(环己烷、 苯、氢气)。该储氢系统由储氢剂的加氢反应、氢载体的储存、运输 及氢载体的脱氢反应3个过程组成。
物理因素：热、光、幅射、机械力
物理－化学因素：热氧、光氧
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高聚物的分类
天然高分子材料 合成高分子材料
1、按来源
改性的天然高分子材料 改性合成高分子材料 为了获得具有各种实用性能或改善其成型加工性能，除 基本组分聚合物之外，还要添加各种添加剂，因此严格 地说，高分子化合物与高分子材料的涵义是不同的。 LOGO
库柏认为，只要两个电子之间有净的吸引作用，不管这种作用力多么 微弱，它们都能形成束缚态。
这种吸引作用有可能超过电子之间的库仑排斥作用，而表现为净的相 互吸引作用，这样的两个电子被称为库柏电子对。
从能量上看，组成库柏对的两个电子由于相互作用将导致势能降低。
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、
如右图所示：
电子在晶格点阵中运动，它对周围的正离子有吸引作用，从而 造成局部正离子的相对集中，导致对另外电子的吸引作用。这
样两个电子通过晶格点阵发生间接的吸引作用。
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电子
正电荷区 负电荷区Leabharlann Baidu
正电荷区
自由电子经由间接的吸引力结合成库柏电子对，库 柏电子对相互也随着晶格振动产生的正负电荷区间 依序移动，彼此不在碰撞，也就没有电阻的产生。
组成库柏对的两个电子之 间的距离约为10-6m ，自 旋与动量均等值而相反， 所以每一库柏对的动量之 和为零 。
零电阻效应
当温度T下降至某一数值以下时，超导体的电阻突然变为零，这就称 为超导体的零电阻效应，也称为超导电性。
下图是汞在液氦温度附近电阻的变化行为。
超导临界温度Tc虽然与样品 纯度无关，但是越均匀纯净 的样品超导转变时的电阻陡 降越尖锐。
LOGO 汞在液氦温度附近电阻的变化行为
超导体的完全抗磁性（迈斯纳效应）
的基本特性。
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超导体的完全抗磁性如下图所示：
超导体内磁感应强度B总是等于零，即金属在超导电状态的磁 化率为=M/H=-1, B=0(1+ )H=0。 超导体内的磁化率为-1(M为磁化强度，B0＝ 0H)
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5.储氢材料
常见的五种储氢方法 储氢合金的分类
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储氢方法
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（e） 物理吸附储氢 利用吸附储氢材料对氢分子的吸附作用而储氢。吸 附储氢材料主要有分子筛、活性炭、高比表面积活性炭、新型吸附剂 （碳纳米管、碳纳米纤维和纳米石墨等碳纳米材料 ）等。
Ⅰ 碳纳米管
1997.3 单壁碳纳米管中的储氢 ——《nature》 1999.7 碱掺杂的碳纳米管在常压常温下的高吸氢量——《science》 1999.11 室温下在单壁碳纳米管上的储氢——《science》 5wt%~20wt% 2010.2 回顾碳纳米管储氢——《carbon》 1998~2010，CNTS储氢量逐年下降
功能材料按其功能的显示过程又可分为一次功能材
料和二次功能材料（功能转换材料）。 结合第一次作业：结构、原理、性能及应用 LOGO
2.功能材料的性能
P-型半导体 N-型半导体 在本征半导体中有意加入少量的杂质元素，以控制电导率， 掺杂原子的价电子少于纯元素的价电子称为P型半导体，例 在四价锗（Ge）元素半导体中掺入三价硼（B）形成的半导 体；掺杂原子的价电子多于纯元素的价电子，称为N型半导 体，例在四价锗（Ge）元素半导体中掺入五价砷（AS）形 成的半导体。
CH 2 CH CN CH 2 CH CN CH 2 CH CN CH 2 CH CN N N N CH 2
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聚合度变大的化学反应
（1）交联反应 在热、光、辐射能或交联剂作用下，分子链间以化学 键联结起来，构成三维网状或体型结构的反应。 （2）接枝反应 通常是在高分子主链上连接不同组成的支链，形成的 接枝共聚物的性能决定于主链和支链的组成、结构和长度、以及支链的 数目。 （3）嵌段反应 嵌段共聚物分子链具有线型结构，是由两种或两种以 上不同单体单元各自形成的长链段组成。根据分子链上长链段数目和排 列方式，嵌段共聚物可以分为：AB两嵌段共聚物，ABA夹层三嵌段共 聚物，ABC三嵌段共聚物等。嵌段共聚物的合成有三种方法：活性聚 合物法、预聚物相互反应法、预聚物—单体法。 （4）扩链反应 通过适当方法使较低分子量的预聚体连接在一起，分 子量因而增大的反应。凡是带活性端基如羟基、羧基、胺基、酰胺基、 异氰酸酯等的预聚体都可进行扩链。
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③库柏电子对
库柏电子对理论是现代超导理论的基础，该理论认为超导态是由正则 动量为零的超导电子组成的，它是动量空间的凝聚现象，要发生凝聚 现象，必须有吸引的作用存在。当电子间存在这种净吸引作用时，费 米面附近存在一个动量大小相等而方向相反且自旋相反的两电子束缚 态，它的能量比两个独立的电子的总能量低，这种束缚态电子对称为 库柏电子对。
当 T<Tc 时，金属内的库柏对开始形成（形成后体系能量下降），这时所有 的库柏对都以大小和方向均相同的动量运动，库柏对在能量上比单个电子运 动要稳定，因此，体系中仅有库柏对的运动，库柏对电子与周围其它电子没 有能量交换，也就没有电阻，金属导体就具有了超导电性 。库柏对的数量 十分巨大 , 当它们向同一方向运动时, 就形成了超导电流 。 由于库柏对引力并不大，当温度较高时，库柏对被热运动打乱而不能成对。 同时，离子在晶格上强烈地不规则振动，使形成库柏对的作用大大减弱。 LOGO
2、按主链结构
材料的组成及各成分之间的配比从根本上保证了制品的性能， 作为主要成分的高分子化合物对制品的性能起主宰作用。 LOGO
3、按用途
粘合剂
6
复合材料
5
塑料
1
4
涂料
2
橡胶
3
纤 维
实际上，按用途分才是真正把高分子材料从材料的角 度进行分类的一种方法。 LOGO
4.超导材料
库柏电子对 零电阻 完全抗磁性（迈斯纳效应）
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3.高分子基础
聚合物的化学反应 根据高分子的官能团及聚合度的变化可分为两大类： （1）聚合物的相似转变：反应仅发生在聚合物分子的侧基上， 即侧基由一种基团转变为另一种基团，并不会引起聚合度 的明显改变。 （2）聚合物的聚合度发生根本改变的反应，包括： 聚合度变大的化学反应，如扩链、嵌段、接枝和交联； 聚合度变小的化学反应，如降解与解聚。
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聚合物的相似转变及其应用
（1）引入新官能团 聚合物经过适当的化学处理在分子链上引入新官能团， 重要的实际应用如聚乙烯的氯化与氯磺化，聚乙烯是塑料，经氯化或氯 磺化处理可用作橡胶。 （2）官能团转化 通过适当的化学反应将聚合物分子链上的官能团转化 为其它官能团，常用来对聚合物进行改性。典型的有：聚乙烯醇的合成 及其缩醛化（聚乙烯醇缩醛，可用作安全玻璃粘合剂、电绝缘膜及涂料 等）纤维素的化学改性（粘胶纤维的合成、纤维素酯的合成、纤维素醚 的合成）离子交换树脂的合成（离子交换树脂的单元结构由三部分组成： 不溶不熔的三维网状骨架、固定在骨架上的官能团和官能团所带的可交 换离子） 。 （3）环化反应 某些聚合物受热时，通过侧基反应可环化，如聚丙烯腈经 预氧化和环化反应可形成梯形结构。
NaAlH4－ 7.47 wt.%
KBH4 － 7.47 wt.% LiBH4－ 18.51 wt.%
LiAlH4－ 10.62 wt.%
NaBH4－ 11.66 wt.% NH3BH3 －12.9 wt.%
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储氢合金的种类
储氢合金主要分为镁系（A2B型） 、镧（稀土）系（AB5型）、 钛系（AB型）、锆（钒）系（AB2型）4大系。 （1）镁系 以Mg2Ni为代表，资源丰富、价格低廉和储氢密度大（Mg
Ⅱ 玻璃微球
直径25~500um，球壁厚度1um，15%~42%。
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（f）配位氢化物储氢 碱金属或碱土金属与第三主族元素可与氢形成配 位氢化物，其与金属氢化物的区别主要在于其在吸氢过程中向离子或 共价化合物转变，也称为离子型氢化物。科研人员开发了氢化硼钠 （NaBH4）和氢化硼钾（KBH4）等氢化物储氢材料，它们通过加水 分解反应可产生比其自身含氢量还多的氢气。 碱金属、碱土金属配位氢化物的通式为A(MH4)n，其中A一般为碱金 属（Li、Na、K等）或碱土金属（Mg、Ca等），M则为第三主族的 B或Al，n视金属A的化合价而定(1或2)。 NaBH4+2H2O→NaBO2+4H2
指超导体处于外界磁场中，磁力线无法穿透，超导体内的磁通量 为零。 1933年，迈斯纳(W. Meissner)发现，只要温度低于超导临界温 度，则置于外磁场中的超导体就始终保持其内部磁场为零，外部 磁场的磁力线统统被排斥在超导体之外。 即便是原来处在磁场中的正常态样品，当温度下降使它变成超导 体时，也会把原来在体内的磁场完全排出去，即超导体具有完全 抗磁性。这一现象被称为迈斯纳效应，它是超导体的另一个独立
a、碳链聚合物： 指高分子化合物的的主链 完全由碳原子组成，绝大部分聚烯烃及其衍生物 都属于此类。 b、杂链聚合物：杂链聚合物是指大分子主链 中除了碳原子外，还有氧、氮、硫等杂原子。常 见的杂环聚合物有聚醚、聚酯、聚酰胺、聚脲、 聚硫橡胶、聚砜等。 c、元素有机聚合物：指大分子主链中没有 碳原子，主要由硅、硼、铝、氧、硫、磷等原子 组成。典型的例子是有机硅橡胶。
功能材料概论总复习
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1.功能材料定义
功能材料(functional material)：指那些具有 优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、 化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物 学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各 种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的 高新技术材料。
氢在常温常压下为气态，密度仅为空气的1/14。在氢能技术中，氢的 储存是最关键环节。氢气储存方法主要有五种：高压储氢、液化储氢、有 机溶剂储氢、金属氢化物储氢和吸附储氢。
（a）高压储氢 氢气被压缩后在气缸里以气体形式储存，这种技术和压缩
天然气、煤气技术相类似 。 优点：简单，常用。 缺点：体积能量密度低（氢气所占质量分数低，仅1wt%~2wt% 、能耗 高 ）；对容器耐压性能高；安全性差。
优点：储氢量高（苯为7.19wt%、甲苯为6.18wt%）；可利用现有 设备；储运简单。
缺点：吸放氢工艺复杂，脱氢温度高；脱氢催化剂不稳定；有机化 合物的循环利用性差。
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（d） 金属氢化物储氢 金属合金储氢主要是利用元素周期表中ⅠA族碱金
属、ⅡA族碱土金属、ⅢB~ⅤB族过渡金属、稀土金属、金属 间化合物等与氢气反应生成金属氢化物来储氢，氢表现为H和H+之间的中间特性 。 优点：无需高压及隔热容器；安全性强。 缺点：金属价格昂贵；储氢量低（＜6wt%)。
储存介质 标准态H2 高压 H2 液态 H2 MgH2 LaNi5H6 TiFeH1.95 Mg2NiH4 VH2 存在状态 气态(1 atm) 气态(150 atm) 液态 固态 固态 固态 固态 固态 氢相对密度 1 150 778 1222 1148 1056 1037 1944 储氢量(wt.%) 储氢量(g/mL) 100 100 (0.80 *a) 100 (~5.0 *b) 7.60 1.37 1.85 3.60 3.81 0.00008 0.012 0.062 0.098 0.092 0.084 0.083