材料科學根底任課教師：付華FundamentalsofMaterialsScience9/30/20231第二章材料的結構第一節(jié)晶體學根底第二節(jié)常見的晶體結構

第三節(jié)固溶體的晶體結構

第四節(jié)金屬間化合物的晶體結構

第五節(jié)硅酸鹽結構

第六節(jié)非晶態(tài)固體結構

第七節(jié)高分子材料結構

9/30/20232高分子是由一種或者多種單體，通過聚合反響形成的相對分子質量很大的有機化合物，它是相對于低分子而言。第七節(jié)高分子材料結構〔PolymerStructures〕一、高分子材料概述高分子化合物是塑料、橡膠、膠粘劑等非金屬材料的總稱。9/30/20233多種多樣的高分子材料9/30/20234高分子材料形成過程9/30/20235鏈節(jié)的化學組成、鏈接方式、立體構型等分子鏈的長短、形狀與構象晶態(tài)、非晶態(tài)、取向態(tài)結構、液晶態(tài)結構、織態(tài)結構等

高分子材料結構

高分子鏈結構近程結構

遠程結構

聚集態(tài)結構

9/30/20236〔2〕雜鏈聚合物O—C—O—主鏈除碳外，還有O、N、P、S等其它元素。如：—C—C—O—C—，—C—C—H—C——C—C—S—C—聚酯〔聚醚、聚酰胺〕9/30/202399/30/202310〔3〕元素有機聚合物主鏈是由Si、Ti、Al、B等原子和O原子構成，側基一般為有機基團：—O—Si—O—Si—O—

如有機硅樹脂、有機硅橡膠等。主鏈純粹由其它元素構成。這類元素的成鏈能力較弱，分子量低，易水解，在研究中。

(4)無機高分子二硫化硅聚二氯一氮化磷9/30/202311〔1〕均聚物結構單元順序：1.2高分子鏈結構單元的鍵接方式

頭-尾連接結構最規(guī)整、強度最高。

9/30/202312二元共聚物單體的連接方式〔2〕共聚物結構單元順序：9/30/2023131.3高分子鏈的幾何形狀〔1〕線型高分子〔2〕支鏈型高分子〔3〕交聯(lián)高分子(網狀)9/30/202314〔1〕線型高分子：由許多鏈節(jié)組成的長鏈，通常是卷曲成線團狀。特點：彈性、塑性好，硬度低，是熱塑性高聚物。

聚乙烯、聚氯乙烯等烯類。9/30/202315〔2〕支鏈型高分子：在主鏈上帶有支鏈。性能和加工都接近于線型高分子，屬于熱塑性高聚物。高壓聚乙烯(PEF)在溶劑中溶解，加熱溶解，密度降低，結晶度降低，硬度低，耐熱性降低。9/30/202316〔3〕體型(網狀)高分子：鏈節(jié)交聯(lián)，呈三維網狀結構。硬度高、脆性大、無彈性和塑性，是熱固性高聚物。酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等。9/30/2023171.4空間構型

原子在空間的幾何排列。1〕全同立構：取代基R在主鏈的同一側。9/30/2023182〕間同立構：取代基R相間地分布在主鏈的兩側。9/30/202319有規(guī)立構〔全同立構、間同立構〕聚合物的結晶度和熔點較高，不易溶解。3〕無規(guī)立構：取代基R在主鏈的兩側不規(guī)那么的分布。9/30/2023201)分子量大大分子鏈中的重復結構單元稱之為“鏈節(jié)〞。組成大分子鏈時，鏈節(jié)的數(shù)目〔n〕叫聚合度。高分子的分子量：M=m×n M----高分子的分子量n----高分子的聚合度m----鏈節(jié)的分子量2.1高分子的大小2、高分子鏈的遠程結構

9/30/202321分子量10萬的聚乙烯，可能是由分子量2萬－20萬大小不同的聚乙烯分子組成的。2)多分散性各種分子量的大分子鏈的重量是不同的。

9/30/202322常用統(tǒng)計平均分子量的表示〔1〕數(shù)均分子量按分子數(shù)的統(tǒng)計平均，定義為：3)平均分子量〔2〕重均分子量按重量的統(tǒng)計平均，定義為：式中：Mi：第i組分子的單分子質量；Ni：第i組分子的分子數(shù)。式中：Wi：第i組分子的總質量。9/30/2023232.2高分子鏈的構象單鍵內旋轉引起的原子在空間占據(jù)不同位置所構成的分子鏈的各種形象，稱為高分子鏈的構象。9/30/202324柔順性取決于分子內旋轉的受阻程度。

9/30/2023252.3高分子鏈的柔順性

高分子鏈能改變其構象、獲得不同卷曲程度的特性，稱為高分子鏈的柔順性。高分子鏈的柔順性與單鍵內旋轉難易程度有關。

柔性大分子鏈末端距和鏈段示意圖

大分子的卷曲程度是用其兩個端點間的直線距離―末端矩h來衡量。(動畫〕末端矩越短，卷曲越厲害。9/30/202326①柔順性以Si-O鍵最好，C-O鍵次之，C-C鍵最差。④取代基的極性強弱/體積/分布對柔順性有影響。

極性取代基使分子間作用力增大，內旋受阻，

柔順性降低。③主鏈中含有孤立雙鍵時，雙鍵本身不能自旋，但兩C原子各減少一個側基或氫原子，使非鍵合基團或原子間距增大，單鍵內旋阻力減小，柔順性增大。

②主鏈中含有芳香環(huán)時，它不能自旋，柔順性很低，剛性較好，能耐高溫。在常見的三大類主鏈結構中：9/30/202327高分子鏈之間的幾何排列和堆砌結構，也稱為超分子結構，是在加工成型過程中形成的。二、高分子材料的聚集態(tài)結構〔超分子結構〕非晶態(tài)結構晶態(tài)結構：三維有序液晶態(tài)結構取向結構共混物〔織態(tài)〕結構分子鏈在一維或二維有序排列的結構高聚物在液態(tài)下分子有序排列9/30/202328高分子鏈之間以范德瓦爾斯鍵或氫鍵結合，鍵雖弱，但因分子鏈很長，故鏈間總作用力為各鏈節(jié)作用力與聚合度之積，因而大大超過鏈內共價鍵。高分子的聚集態(tài)結構取決于高分子間的作用力。無定形高聚物結構和晶態(tài)高聚物示意圖

9/30/202329無定形高聚物結構和晶態(tài)高聚物示意圖

〔1〕無定形聚合物是很普遍的。即使在結晶高聚物中，也包含有非晶區(qū)。1、無定形高聚物的結構(非晶態(tài))〔2〕結構模型：大分子無規(guī)線團+排列比較規(guī)整的大分子鏈折疊區(qū)。9/30/2023302.高分子材料的晶態(tài)結構晶區(qū)單元：片狀、球狀、串晶、樹枝狀等。晶區(qū)分子鏈結構主要是二種：折疊鏈結構和伸直鏈結構。

9/30/2023319/30/2023329/30/202333謝謝！9/30/202334小結高分子材料結構高分子鏈的近程結構1.1

高分子鏈結構單元的化學組成

（1）碳鏈聚合物（2）雜鏈聚合物

（3）元素有機聚合物(4)無機高分子9/30/202335幾種典型的高分子材料9/30/202336聚乙烯〔PE〕聚乙烯從1939年開始工業(yè)化生產，是目前產量最大，應用最廣泛的品種。低密度聚乙烯〔LDPE〕在各種聚乙烯中產量最大，主要用于生產薄膜〔制造食品袋、垃圾袋、地膜、大鵬膜等〕；約10%用于生產注塑用品。線型低密度聚乙烯〔LLDPE〕主要用于生產薄膜，厚度比低密度聚乙烯更薄，制品性能更好。還用于生產扁絲，制造編織袋。9/30/202337高密度聚乙烯注塑制品：工業(yè)容器、家用器皿、玩具等。中空吹塑制品：食品、藥品、化裝品的包裝瓶等。薄膜制品〔約占20%〕：大量用于食品包裝。聚乙烯管材應用領域主要有：生活用水和煤氣管道、農業(yè)排灌用管道以及圓珠筆內的油墨管子等。質輕、堅韌耐磨，力學性能良好，使用壽命長，施工安裝簡便，輸送阻力小、平安可靠，鋪設費用低。9/30/202338給水用HDPE管9/30/202339超高分子量聚乙烯〔UHMWPE〕——可作為工程塑料在汽車、機械、原子能以及宇宙飛行等領域得到重要應用。具有優(yōu)異的耐沖擊和自潤滑性，耐腐蝕、抗磨損、不粘著等特性?？勺鼾X輪、軸套、滑板、儲罐襯里等。9/30/202340聚乙烯生產線9/30/202341聚氯乙烯〔PVC〕9/30/202342PS保溫板PS光纖聚苯乙烯〔PS〕9/30/202343氟塑料是各種含氟塑料的總稱。聚四氟乙烯〔PTFE〕。1950年首先由杜邦公司投產。有“塑料王〞之稱。是高結晶度聚合物，無熔融態(tài)，分解溫度400℃，可在260℃以下長期下使用，耐低溫達-200℃，力學性能優(yōu)異。光滑不粘，摩擦系數(shù)極小，具有自潤滑性。耐化學腐蝕性極強，耐強酸、強堿、有機溶劑，能耐王水及沸騰的氫氟酸。具有塑料中最好的電絕緣性能。廣泛用于化工機械和容器的防腐、耐磨密封、電絕緣等。9/30/2023449/30/202345纖維滌綸尼龍〔錦綸〕聚丙烯腈〔腈綸、人造羊毛〕9/30/202346保鮮膜性能要求保鮮、保潔、自粘平安、無毒市場上的保鮮膜聚乙烯〔PE〕、聚氯乙烯〔PVC〕、偏聚氯乙烯及其他材質聚氯乙烯〔PVC〕保鮮膜存在的問題9/30/202347聚合物光盤基片性能要求高的透光率、光學純度、尺寸穩(wěn)定性和熱變形溫度，較好的機械性能和加工性能、低的雙折射和本錢等。主要材料： 聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯〔PMMA〕、改性雙酚A環(huán)氧樹脂、非晶態(tài)聚烯烴等9/30/202348功能高分子材料醫(yī)用高分子導電高聚物液晶高分子智能聚合物高吸水性樹脂等等9/30/202349生物〔醫(yī)用〕高分子醫(yī)用高分子人工生體軟組織人工生體硬組織藥用高分子高分子藥物高分子載藥體系醫(yī)療器械與診斷材料9/30/202350醫(yī)用高分子材料醫(yī)用修復材料齲齒密封材料、外科縫合線、高分子繃托眼球人工玻璃體隱形眼鏡人工臟器人造皮膚、人工骨、肌肉腱、角膜、喉、食道、人工肺、腎、肝、心臟等等。在美國，每年有幾百萬件人工器件或修復材料植入病人體內。9/30/2023519/30/202352導電高聚物共軛結構-CH=CH-CH=CH-CH=CH-9/30/202353導電高聚物應用前景二次電池、太陽能電池傳感器電磁屏蔽材料隱身材料金屬防腐9/30/202354B-2Bomber(American)9/30/202355F-117AFighter(American)9/30/202356Astealthship9/30/202357Astealthship9/30/202358液晶高分子材料強度和模量極高液晶概念既具有液體的流動性，又有晶體的各向異性。應用防彈背心火箭發(fā)動機外殼、導彈殼體阿波羅登月飛船軟著陸降落傘繩、直升飛機吊繩、人造衛(wèi)星電子部件等等。9/30/202359防彈衣高比強度的降洛傘繩索9/30/202360END9/30/2023611.何謂同位素？為什么元素的相對原子質量不總為正整數(shù)？

答:在元素周期表中占據(jù)同一位置，盡管它們的質量不同，然它們的化學性質相同的物質稱為同位素。由于各同位素的含中子量不同〔質子數(shù)相同〕，故具有不同含量同位素的元素總的相對原子質量不為正整數(shù)。

2.Si的相對原子質量為28.09，假設100g的Si中有5×1010個電子能自由運動，試計算：(a)能自由運動的電子占價電子總數(shù)的比例為多少？(b)必須破壞的共價鍵之比例為多少？

原子數(shù)=個

價電子數(shù)=4×原子數(shù)=4×2.144×1024=8.576×1024個

a)

b)共價鍵，共有2.144×1024個；需破壞之共價鍵數(shù)為5×1010/2=2.5×1010個；

所以，

9/30/2023623.有一共聚物ABS〔A-丙烯腈，B-丁二烯，S-苯乙烯〕，每一種單體的質量分數(shù)均相同，求