1、高分子材料专业概论 李 廷希Mail: QQ:827531169Tel:86057122,13573815018和材料学相关的诺贝尔奖1926年诺贝尔化学奖获得者年诺贝尔化学奖获得者 瑞典人，物理化学家。瑞典人，物理化学家。研究胶体分子的提纯和分研究胶体分子的提纯和分离技术，特别是对蛋白质离技术，特别是对蛋白质的研究。的研究。1924年发明了超年发明了超速离心机，用于蛋白质分速离心机，用于蛋白质分子测定，并从沉降常数和子测定，并从沉降常数和扩散系数获得血红蛋白的扩散系数获得血红蛋白的分子量。分子量。Svedberg 的工作为高分子的工作为高分子化学的建立创造了实验条件。化学的建立创造了实验条件
2、。T.Svedberg （18841971）19261926年因发明高速离心机并用于高分散胶体化学研究获奖年因发明高速离心机并用于高分散胶体化学研究获奖1953年诺贝尔化学奖获得者年诺贝尔化学奖获得者 德国人，德国人，1903年在年在Halla大学完成博士大学完成博士论文。毕业后在多论文。毕业后在多所大学任教。早期所大学任教。早期研究有机化学，后研究有机化学，后转向对天然有机物转向对天然有机物的结构研究。的结构研究。1920年，在年，在德国化学会志德国化学会志上发表划时代的文章上发表划时代的文章论聚合论聚合,首首次提出高分子的概念。次提出高分子的概念。1932年，发表专著年，发表专著高分子有机
3、化合物高分子有机化合物，标志着高分子化学，标志着高分子化学的诞生。的诞生。H.Staudinger （18811965）19531953年因年因“链状大分子物质的发现链状大分子物质的发现”获奖获奖1963年诺贝尔化学奖获得者年诺贝尔化学奖获得者K.Ziegler（18981973）G.Natta（19031979）德国人，德国人，22岁获博士学位。毕业后在多所岁获博士学位。毕业后在多所大学任教，大学任教，1946年起任前联邦德国化学会会年起任前联邦德国化学会会长。主要从事有机金属化合物合成研究，长。主要从事有机金属化合物合成研究，1953年发现了可使乙烯在室温低压下迅速聚年发现了可使乙烯在室温
4、低压下迅速聚合成为高分子量聚乙烯的合成为高分子量聚乙烯的Ziegler催化剂。催化剂。意大利人，意大利人，21岁获博士学位。毕业后在多所岁获博士学位。毕业后在多所大学任教，同时兼任大学任教，同时兼任Montecatini公司顾问。主公司顾问。主要从事有机合成和高分子结构研究。要从事有机合成和高分子结构研究。1954年，年，在用改进的在用改进的Ziegler催化剂进行聚丙烯合成时发催化剂进行聚丙烯合成时发现对聚合物立体结构有重大影响。现对聚合物立体结构有重大影响。19631963年因年因“在高分子合成和工艺领域中的重大发现在高分子合成和工艺领域中的重大发现”共同获共同获奖奖1974年诺贝尔化学奖
5、获得者年诺贝尔化学奖获得者 美国人，美国人，1934年获博士学位年获博士学位后，作为物理化学家进入杜邦后，作为物理化学家进入杜邦公司，在公司，在Carothers手下工作。手下工作。Carothers鼓励他从事将数学方鼓励他从事将数学方法用于高分子领域的研究。法用于高分子领域的研究。按照这一思路，按照这一思路，Flory的研的研究在许多重要的理论方面多有究在许多重要的理论方面多有建树：高分子分子量分布、等建树：高分子分子量分布、等活性反应原理、高分子溶液的活性反应原理、高分子溶液的热力学研究等。热力学研究等。P.J.Flory (19101985)19741974年因在长链分子物理化学性质方面
6、的研究获奖年因在长链分子物理化学性质方面的研究获奖1991年诺贝尔物理奖获得者年诺贝尔物理奖获得者19911991年因把研究简单系统中有序现象的方法推广到比较复年因把研究简单系统中有序现象的方法推广到比较复杂的物质形式，特别是推广到液晶和聚合物的研究中获奖杂的物质形式，特别是推广到液晶和聚合物的研究中获奖P.G.de Geenes (1932)法国人，理论物法国人，理论物理学家。理学家。6070年年代，把代，把研究简单系研究简单系统中有序现象的方统中有序现象的方法推广到比较复杂法推广到比较复杂的物质形式，特别的物质形式，特别是推广到液晶和聚是推广到液晶和聚合物的研究中，为合物的研究中，为物理学
7、研究开拓了物理学研究开拓了新的领域。新的领域。聚合体链动态模型聚合体链动态模型2000年诺贝尔化学奖获得者年诺贝尔化学奖获得者Alan.G.MacDiarmid(1927)Alan.J.Heeger(1936)白川英树白川英树（1936）美国人，现任宾美国人，现任宾夕法尼亚大学化学夕法尼亚大学化学教授教授 美国人，现任加美国人，现任加利福尼亚大学巴巴利福尼亚大学巴巴拉分校聚合物和有拉分校聚合物和有机固体研究所所长机固体研究所所长 日本人，曾任筑日本人，曾任筑波大学材料科学研波大学材料科学研究所化学教授究所化学教授20002000年因在导电聚合物领域的开创性工作共同获奖年因在导电聚合物领域的开创
8、性工作共同获奖2002年诺贝尔化学奖获得者年诺贝尔化学奖获得者库尔特库尔特.维特里希维特里希 (1938)约翰约翰.芬恩芬恩(1917)田中耕一田中耕一（1959）瑞士人，现任瑞瑞士人，现任瑞士苏黎世联邦高等士苏黎世联邦高等理工学校的分子生理工学校的分子生物物理学教授物物理学教授 日本人，现任岛日本人，现任岛津制作所分析测量津制作所分析测量事业部生命科学商事业部生命科学商务中心、生命科学务中心、生命科学研究所主任研究所主任 20022002年因在生物大分子研究领域的贡献而获奖年因在生物大分子研究领域的贡献而获奖美国人，现任弗吉尼美国人，现任弗吉尼亚联邦大学教授亚联邦大学教授 2003年诺贝尔化
9、学奖 n美国科学家彼得阿格雷和罗德里克麦金农，分别表彰他们发现细胞膜水通道，以及对离子通道结构和机理研究作出的开创性贡献。这是54岁的化学奖得主彼得阿格雷。2004诺贝尔化学奖 n以色列科学家阿龙-西查诺瓦、阿弗拉姆-赫尔什科和美国科学家伊尔温-罗斯。n三人因在蛋白质控制系统方面的重大发现而共同获得该奖项。他们突破性地发现了人类细胞如何控制某种蛋白质的过程，具体地说，就是人类细胞对无用蛋白质的“废物处理”过程。2005年度诺贝尔化学奖 n法国人伊夫肖万、美国人罗伯特格拉布和美国人理查德施罗克n阐明了烯烃复分解反应的反应机制，这一机制解释了此前有关烯烃复分解反应的各种问题。后来在实验中为这种机制
10、提供了有力证据，同时开发出实用有效的新型反应催化剂。这些发现为合成有机分子开辟了全新途径。2006年诺贝尔化学奖 n美国科学家罗杰科恩伯格，以奖励他在“真核转录的分子基础”研究领域作出的贡献。他将获得1000万瑞典克朗（约合140万美元）的奖金。n 科恩伯格成为第一个成功地将脱氧核糖核酸（DNA）的复制过程捕捉下来的科学家，评委会称他的获奖真正体现了诺贝尔遗言中所说的“授予一项非常重要的化学发现”。基因中遗传信息的转录和复制是地球上所有生物生存和发展必然经历的过程，科恩伯格教授有关真核转录的研究第一次将基因的这一转录过程细致地描述下来，使了解基因的转录过程成为可能。2007年诺贝尔化学奖 n德
11、国马普弗利兹-哈伯研究所（Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft）化学家Gerhard Ertl因固体表面化学过程研究独得该奖项。n表彰的是表面化学的突破性研究。这个领域对化工产业影响巨大，物质接触表面发生的化学反应对工业生产运作至关重要。同时，表面化学研究有助于我们理解各种不同的过程，比如为何铁会生锈，燃料电池如何发挥作用以及我们汽车中加入的催化剂如何工作。表面化学研究甚至可以解释臭氧层的破坏。此外，半导体产业的发展与表面化学研究也是息息相关 2008年诺贝尔化学奖 n没有马丁沙尔菲，绿色荧光蛋白似乎只是科学研究中产生的一种“副产品”
12、。n如果说下村修是绿色荧光蛋白的“接生婆”，沙尔菲则是绿色荧光蛋白的价值发现者。n不过，沙尔菲与绿色荧光蛋白的“邂逅”带有侥幸成分。邂逅绿蛋白年诺贝尔物理学奖 n高锟在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得了突破性成就，他将获得今年物理学奖一半的奖金，共万瑞典克朗（约合万美元）；博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件电荷耦合器件（）图像传感器，将分享今年物理学奖另一半奖金。2009诺贝尔化学奖 n美国科学家文卡特拉曼拉马克里希南、托马斯施泰茨和以色列科学家阿达约纳特 n生物体每个细胞中都含有脱氧核糖核酸（），基于上携带的信息，核糖体便能合成蛋白质，如血红蛋白、免疫系统的抗体、胰岛素、皮肤中
13、的胶原蛋白等。这些蛋白质在生命中具有不同的形式和功能，它们在化学层面上组成并控制着生命。因此，有关核糖体结构和功能的研究能够被迅速应用到实际中，没有核糖体存在，病菌就无法存活，当今医学上很多抗生素类药物都是通过抑制病菌的核糖体来达到治疗目的的。2010诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖n理查德-赫克美国特拉华大学，根岸荣一美国普渡大学，铃木章是北海道大学名誉教授.这三名科学家因在有机合成领域中钯催化交叉偶联反应方面的卓越研究获奖。这一成果广泛应用于制药、电子工业和先进材料等领域，可以使人类造出复杂的有机分子。2010年诺贝尔物理学奖n英国曼彻斯特大学科学家安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫.n于2004年制
14、成石墨烯材料。这是目前世界上最薄的材料，仅有一个原子厚。自那时起，石墨烯迅速成为物理学和材料学的热门话题。目前，集成电路晶体管普遍采用硅材料制造，当硅材料尺寸小于10纳米时，用它制造出的晶体管稳定性变差。而石墨烯可以被刻成尺寸不到1个分子大小的单电子晶体管。此外，石墨烯高度稳定，即使被切成1纳米宽的元件，导电性也很好。因此，石墨烯被普遍认为会最终替代硅，从而引发电子工业革命。2011诺贝尔化学奖“准科学家”的准晶体 n准晶体是自然界固体物质中的另类，发现它的科学家起初也被另眼看待。n以色列科学家达尼埃尔谢赫特曼（Daniel Shechtman）因发现准晶体，独享2011年诺贝尔化学奖。n诺奖
15、评选委员会给出的获奖理由是，谢赫特曼在29年前首次在电子显微镜中观察到一种“反常理”的现象当时所观察的铝合金中的原子，是以一种不重复的非周期性对称有序方式排列的，而按照当时的理论，具有此种原子排列方式的固体物质是不存在的。n这次发现，在当时引起极大争议。晶体学权威、两届诺贝尔奖得主鲍林（Pauling）曾公开声称：谢赫特曼是在胡言乱语，没有什么准晶体，只有“准科学家”。2011年诺贝尔物理学奖:解开了宇宙扩张的面纱,研究了数十个超新星发现宇宙正加速扩张,如果宇宙膨胀加速，最后整个宇宙将变为冰。n2011年诺贝尔物理学奖颁发给美国加州大学伯克利分校天体物理学家萨尔波尔马特、美国/澳大利亚布莱恩施
16、密特以及美国科学家亚当里斯以表彰他们发现“通过超新星发现宇宙加速膨胀”，这有助于人类更多地了解宇宙扩张的秘密；1915年，爱因斯坦发表了他的广义相对论，此后这一直是人们理解宇宙的基础。按照广义相对论，宇宙只能收缩或者膨胀，不可能稳定不变。但事实刚好相反：宇宙正在膨胀。Jobs,May you rest in peacen网络上流传着这样一句话，或许表达了人们对史蒂夫-乔布斯最深切的肯定：nThree Apples changed the world.The first one seduced Eve.The second one awakened Newton.The third one wa
17、s in the hands of Steve Jobs.n(三个苹果改变了世界。第一个诱惑了夏娃，第二个砸醒了牛顿，第三个曾在史蒂夫-乔布斯的掌握。)乔布斯励志名言n1.Do you want to spend the rest of your life selling sugared water or do you want a chance to change the world?n你想用卖糖水来度过余生，还是想要一个机会来改变世界？n2.Death is very likely the single best invention of Life.It is Lifes change a
18、gent.It clears out the old to make way for the new。n死亡很可能是唯一的、最好的生命创造。它是生命的促变者。它送走老一代，给新一代开出道路。n3.If you do something and it turns out pretty good,then you should go do something else wonderful,not dwell on it for too long.Just figure out whats next。n你如果出色地完成了某件事，那你应该再做一些其他的精彩事儿。不要在前一件事上徘徊太久，想想接下来该做
19、什么。n4.Theres a phrase in Buddhism,Beginners mind.Its wonderful to have a beginners mind。n佛教中有一句话：初学者的心态；拥有初学者的心态是件了不起的事情。n5.Being the richest man in the cemetery doesnt matter to me.Going to bed at night saying weve done something wonderful.thats what matters to me。n是否能成为墓地里最富有的人，对我而言无足轻重。重要的是，当我晚上睡
20、觉时，我可以说：我们今天完成了一些美妙的事。n乔布斯励志名言n6.Remembering that you are going to die is the best way I know to avoid the trap of thinking you have something to lose。n谨记自己总会死去，是让自己避免陷入“人生有所失”思考的最佳方法。n7.Your time is limited,so dont waste it living someone elses life.Dont let the noise of others opinions drown out y
21、our own inner voice。n你的时间有限，不要浪费于重复别人的生活。不要让别人的观点淹没了你内心的声音。n8.Have the courage to follow your heart and intuition.They somehow already know what you truly want to become.Everything else is secondary。n要有勇气追随心声，听从直觉-它们在某种程度上知道你想成为的样子。其他事情都是其次的。n9.Life is brief,and then you die,you know?n人生短暂，过着过着你就没了，
22、明白嚒？n10.You cant just ask customers what they want and then try to give that to them.By the time you get it built,theyll want something new。n你不能只问顾客要什么，然后想法子给他们做什么。等你做出来，他们已经另有新欢了。n夏娃的苹果：人类知道道德n圣经里的亚当和夏娃的故事，讲的是分离与失落的故事。我们不妨相信这是一件真事；我们不妨将这个故事看做是一种道德范式；我们不妨可以在其中看到一种寓言，那就是人在出生的时候就脱离了母体。这件事情在许多层面来说都是真实的
23、，但是，这个故事教导我们的许多重要的事情之一，便是说我们不可能永远留在天堂里，我们必须承担起世俗生活的重担。亚当和夏娃被赶出伊甸园的故事，就是最典型的离家远行故事。n那些遵守上帝诫命的人，必要从生命树上摘取果子而且在永恒的年日中，那些无罪的居民，必要在乐园中看到上帝完备的创造之工的样本，其中毫无罪恶和咒诅的影响。这样也就说明，起初人类若履行了创造主的荣耀计划，则全地所呈现的光景是何等的佳美。牛顿的苹果：人们知道了科学n牛顿于1643年出生于英国林肯郡，他在18世纪早期英国和欧洲的科学界占据重要地位，被很多人视为他那个时代最伟大的科学家。n这截4英寸长的树枝现存于伦敦皇家学会档案馆，它来自那颗激
24、发牛顿得出万有引力定律的苹果树。乔布斯的苹果：人们学会了生活n作为苹果的创始人，乔布斯是一个好莱坞式的英雄人物，他和苹果的事业几经起伏，始终屹立不倒。乔布斯亲手打造的“苹果帝国”不仅书写了IT业的新时代，而且引领着这个行业的未来。一、材料的定义与分类一、材料的定义与分类分类分类 材料材料按化学组成分类按化学组成分类按作用分类按作用分类按状态分类按状态分类按使用领域分类按使用领域分类金属材料金属材料无机非金属材料无机非金属材料有机高分子材料有机高分子材料复合材料复合材料结构材料结构材料功能材料功能材料建筑材料建筑材料医用材料医用材料电子材料电子材料耐火材料耐火材料气态气态液态液态固态（单晶、多晶
25、、非晶、复合）固态（单晶、多晶、非晶、复合）二、二、材材 料料 的的 发发 展展 历历 史史无机非金属材料无机非金属材料复合材料复合材料高分子材料高分子材料金属材料金属材料木材木材皮革皮革纤维纤维纸纸青铜青铜铁铁钢钢金金皮胶皮胶橡胶橡胶赛璐珞赛璐珞陶陶玻璃玻璃水泥水泥火石火石合金钢合金钢耐热合金耐热合金先进功能陶瓷先进功能陶瓷各种基体复合材料各种基体复合材料功能高分子功能高分子高温高分子高温高分子高强高模高分子高强高模高分子通用高分子通用高分子韧性工程陶瓷韧性工程陶瓷金属陶瓷金属陶瓷耐火材料耐火材料时间时间/年年相对占有量相对占有量玻璃态金属玻璃态金属5000公元前公元前0公元公元1000 1
26、50018001900194019601980199020002010纤维增强塑料纤维增强塑料稻草杆砖稻草杆砖微合金钢微合金钢骨骨瓷瓷三、材料科学与工程三、材料科学与工程 二十世纪六十年代，随着人们对各种材料认识的不断二十世纪六十年代，随着人们对各种材料认识的不断深化，并积极吸取了近代物理、化学，特别是固体物理、深化，并积极吸取了近代物理、化学，特别是固体物理、量子化学等基础理论及各种先进分析仪器和尖端技术研究量子化学等基础理论及各种先进分析仪器和尖端技术研究的结果，逐步形成了一门新的综合性学科的结果，逐步形成了一门新的综合性学科 材料科学。材料科学。材料科学与工程的主要任务是以现代物理学、化
27、学等材料科学与工程的主要任务是以现代物理学、化学等基础学科理论为基础，从电子、原子、分子间结合力，晶基础学科理论为基础，从电子、原子、分子间结合力，晶体及非晶体结构、显微组织、结构缺陷等观点研究材料的体及非晶体结构、显微组织、结构缺陷等观点研究材料的各种性能以及材料在制造和应用过程中的行为，了解结构各种性能以及材料在制造和应用过程中的行为，了解结构 性能性能 应用之间的规律关系，提高材料的性能、发挥应用之间的规律关系，提高材料的性能、发挥材料的潜力，以满足人们对材料日益增长的要求。材料的潜力，以满足人们对材料日益增长的要求。1、材料科学与工程、材料科学与工程科学性问题科学性问题材料科学与工程材
28、料科学与工程工程性问题工程性问题物质表征物质表征物质合成物质合成现象描述现象描述应用评价应用评价物性测试物性测试制备工艺制备工艺宏观现象宏观现象微观现象微观现象迁移现象迁移现象反应过程反应过程相关系相关系化学键化学键本征物性本征物性效应物性效应物性缺陷物性缺陷物性后处理后处理技术性测试技术性测试应用试验应用试验组成组成结构结构缺陷缺陷单晶单晶多晶多晶非晶非晶复合复合2、材料研究的四要素、材料研究的四要素 “性质、结构与成分、合成与加工、使用性能，以及它们性质、结构与成分、合成与加工、使用性能，以及它们之间的密切关系确定了材料科学与工程这一领域。之间的密切关系确定了材料科学与工程这一领域。”美国
29、国家研究委员会：美国国家研究委员会：90年代的材料科学与材料工程年代的材料科学与材料工程 建立原子、分子和分子团的新排列，在所有尺建立原子、分子和分子团的新排列，在所有尺寸上（从原子寸上（从原子 尺寸尺寸 到宏观尺寸）对结构的控制，到宏观尺寸）对结构的控制，以及高效而有竞争力地制以及高效而有竞争力地制 造材料和零件的演变造材料和零件的演变过程。过程。合成合成/加工加工确定材料功能特性和效用的描述确定材料功能特性和效用的描述性性 质质材料固有性质同产品设计、工程能力和人类需材料固有性质同产品设计、工程能力和人类需求相融合要一起的一个要素。求相融合要一起的一个要素。使用性能使用性能结构结构/成分成
30、分n制造每种特定材料所采取的合成和加工的结果制造每种特定材料所采取的合成和加工的结果合成合成加工加工性质性质结构结构成分成分使用使用性能性能四、材料今后的发展方向四、材料今后的发展方向（1）从发展看，到二十一世纪，金属材料、高分子材料、）从发展看，到二十一世纪，金属材料、高分子材料、无机非金属材无机非金属材 料、复合材料将出现四大类工程材料平料、复合材料将出现四大类工程材料平 分秋色的局面。分秋色的局面。（2）美国认为，在先进材料、电子信息技术、生物技术三）美国认为，在先进材料、电子信息技术、生物技术三 大未来高技术领域中，先进材料中的先进陶瓷和高分大未来高技术领域中，先进材料中的先进陶瓷和高
31、分 子基质材料将于今后子基质材料将于今后25年内在世界上发挥重大作用，年内在世界上发挥重大作用，并可能是美国在国际生产和技术竞争中保持强力地位并可能是美国在国际生产和技术竞争中保持强力地位 的关键技术领域。的关键技术领域。n（3）对新一代材料的主要要求：）对新一代材料的主要要求：n a.既是结构材料又具有多种功能的材料；既是结构材料又具有多种功能的材料；n b.具有感知、自我调节和反馈等能力的智具有感知、自我调节和反馈等能力的智能型材料；能型材料；n c.制作和废弃过程中尽可能减少污染的绿制作和废弃过程中尽可能减少污染的绿色材料；色材料；n d.充分利用自然资源，能循环作用的可再充分利用自然资
32、源，能循环作用的可再生性材料；生性材料；n e.少维修或不维修的长寿命材料。少维修或不维修的长寿命材料。材料是人类生活和生产必需的基础，材料是人类生活和生产必需的基础，也是人类文明的物质基础，而材也是人类文明的物质基础，而材料的使用与一个历史时期内生产力和料的使用与一个历史时期内生产力和科学技术水平密切相关。一个国家材科学技术水平密切相关。一个国家材料的品种和产量是直接衡量一个国家料的品种和产量是直接衡量一个国家的科学技术、经济发展水平的重要标的科学技术、经济发展水平的重要标志之一。志之一。例例CPU制作材料制作材料 目前的目前的CPU材料主要以半导体和超半导体技术为主。现材料主要以半导体和超
33、半导体技术为主。现有三种材料有可能改变这种情况：有三种材料有可能改变这种情况：（1）原子水平的材料技术）原子水平的材料技术（2）生物学）生物学DNA技术技术（3）巴基球技术）巴基球技术 用原子做基本材料（载体材料可多样），通过原子组合排列实现二用原子做基本材料（载体材料可多样），通过原子组合排列实现二进制逻辑计算，可使计算机超小型化。目前问题：组合排列的稳定性。进制逻辑计算，可使计算机超小型化。目前问题：组合排列的稳定性。用生物基因做基本材料，用基因密码组合实现二进制逻辑计算，可用生物基因做基本材料，用基因密码组合实现二进制逻辑计算，可使计算机智能化。目前问题：提高速度。使计算机智能化。目前问题：提高速度。在巴基球条件下，碳分子成为导体，性能比现有任何计算机材料好，在巴基球条件下，碳分子成为导体，性能比现有任何计算机材料好，且三维方向可控，一方面材料俯拾即是，另一方面三维可控将提供更新的且三维方向可控，一方面材料俯拾即是，另一方面三维可控将提供更新的逻辑数学方式，对软件制作模式有重大影响。目前问题：载体稳定性。逻辑数学方式，对软件制作模式有重大影响。目前问题：载体稳定性。纳米材料
