多组分聚合物结构与性能 - 同济大学材料科学与工程学院

821材料科学基础大纲详解本课程主要考察考生对材料科学的基础理论和专业知识的掌握程度，以及运用这些理论和知识解决实际问题的能力。

同时还将考察考生对常规材料表征技术的掌握程度和应用能力。

考查的知识要点包括以下内容:(1)材料及材料科学的含义:材料及材料的基本要素和相互之间的关系、材料的结构层次及材料结构与性能的关系、材料选择的基本原理;(2)材料的原子结构与分子结构:原子结构、原子间的键合、材料的化学组成和结构对性能的影响、高分子链的近程结构与远程结构:(3)固体材料结构基础:晶体的基本特性、晶体的结构特征(空间点阵和晶胞、晶向指数和晶面指数)、配位数和配位多面体、金属的晶体结构、离子晶体结构、共价晶体结构、高分子凝聚态结构(晶态结构、非晶态结构、取向结构)、非晶态的形成及结构特征、固体材料能带结构的基础知识(导体、半导体、绝缘体)及与性能之间的关系;(4)晶体的结构缺陷:缺陷分类、点缺陷的形成、位错的基本类型和特征、晶体结构缺陷对材料性能的影响;(5)材料的相结构与相变:相的定义、相结构、固溶体的概念及特点、相变的定义、相变的分类(按结构分类、按热力学分类、按相变方式分类、按原子迁移特征分类)、结晶的基本规律与条件:热力学条件、动力学条件(成核-长大机理);(6)高分子材料中的分子链运动:高分子链的内旋转及柔顺性的本质和影响因素，高分子材料的三种力学状态(玻璃态、高弹态及粘流态)、玻璃化转变温度;(7)金属材料、无机非金属材料、高分子材料及复合材料的结构特征、性能特点及其应用分析;(8)常规材料表征技术及应用:XRD、TEM、SEM、IR、DSC的工作原理、影响这些表征技术的主要因素及在材料研究中的应用。


考试题型: 专业术语或基本概念的解释、简答题、论述或辨析题、综合分析题等。

材料科学与工程学院硕士研究生招生研究方向简介专业：080500材料科学与工程01光电薄膜及器件本方向主要研究薄膜材料结构与光电性能关系以及其表面/界面的物理与化学性质，优化与发展先进光电薄膜材料及其器件的制备方法、测量原理与应用技术。

主要研究方向有：（1）先进太阳能薄膜制备及器件技术；（2）新型氧化物半导体光电薄膜的掺杂改性及原型器件探索；（3）场发射纳米多层半导体薄膜制备及器件技术；（4）钙钛矿锰氧化物及半金属磁隧道结制备及器件开发；本研究方向曾主持完成国家973、863及国家自然科学基金等多项国家重点科技项目，获北京市科技进步奖3项，发表SCI收录论文100余篇，国家发明授权10余项。

目前在研国家自然科学基金、北京市科技新星科技等多个项目。

从事该研究方向的导师：严辉、张铭、王如志、王波02纳电子与磁电子学本方向主要研究纳米体系及低维材料的在热、电、磁等外场调制下的结构、电子与电荷的相互关联效应及新型纳电子器件制备技术探索。

主要研究方向有：（1）磁电调控作用下低维体系（量子点、量子线及二维电子气）量子输运问题研究；（2）基于纳米体系的第一原理、分子动力学及蒙特卡罗法的结构设计及性能模拟；（3）纳米场发射显示器件的冷阴极结构设计、制备及相关基础研究；（4）碳系（CNT及graphene）纳电子器件化技术基础研究；基于本研究方向，在国际重要学术刊物Phys. Rev. B, Appl. Phys. Lett.等发表论文多篇，申请国家发明多项，目前在研国家自然科学基金、北京市科技新星科技等多个项目。

从事该研究方向的导师：王如志、张铭、严辉03纳微仿生表面仿照动植物表面的特殊微观结构，利用低温等离子体相关技术制备纳米和微米多尺度的仿生复合结构，研究材料表面微观结构与表面功能特性间的本质联系，开发具有特殊润湿性能以及其它功能特性的表面材料，探索相关表面材料在自清洁、微流芯片以及舰船减阻等领域的实用途径。

06部分二、解析1.试阐述红外光谱分析的基础以及应用。

参考答案：红外光谱是由于分子振动能级的跃迁（同时伴随转动能级跃迁）而产生的物质能吸收红外光谱应满足两个条件：1.辐射应具有刚好恩那个满足物质跃迁时所需的能量；2.辐射与物质之间有相互作用（2）辐射与物质之间有相互作用，分子的偶极距必须发生变化的振动，分子振动的形式：1．伸缩振动ａ．对称伸缩振动ｂ．反对称伸缩振动2．变形和弯曲伸缩振动ａ．面内变形剪式振动面内摇摆振动ｂ．面外变形面外摇摆振动扭曲变形掘动红外光谱振动吸收带的类型：（１）Ｘ－Ｈ伸缩振动区（２）叁键和累积双键区（３）双键伸缩振动区（４）Ｘ－Ｙ伸缩振动区和Ｘ－Ｈ变形振动区红外光谱的应用：定性分析 1 试样的分离与精制 2. 了解与试样性质有关的其他方面的因素 3. 图谱的解析定量分析试题解析：1）知识点：红外光谱的基础与应用2）答题思路：综合两方面信息进行解答3）历年考频：此考点在近五年中共出现3次，分别为：04.06，07年.2.什么是斯托克斯线、反斯托克斯线，试说明拉曼光谱与红外光谱是互补的。

参考答案：在拉曼散射中，若光子把一部分能量传递给样品分子，得到的散射光能量减少，在垂直方向测量到的散射光中，可检测一定频率的线，称为斯托克斯线。

反之，如果分子处于激发态，与光子发生非弹性碰撞就会释放能量而回到基态，得到反斯托克斯线。

1.拉曼光谱是一个散射过程，因此任何尺寸、形状、透明度的样品，只要能被激光照到，就可以直接进行测量，极微量的样品都可以照射到。

2. 水是极性很强的分子，因而其红外吸收非常强烈。

但水的拉曼反射却极微弱。

3.对于聚合物及其他分子，拉曼散射的选择定则限制较小，因而可以得到更丰富的谱带。

试题解析：1）知识点：拉曼光谱的基本知识2）答题思路：简述概念知识3）历年考频：此考点在近五年中共出现1次，分别为：06年。

3. 请说明下列图谱所代表聚合物的性质特征。

参考答案：谱带分析在新大纲中取消4. 请阐述电子与固体物质相互作用时产生的各种电子信号那些信号可以用于晶体研究？参考答案：1.背散射电子2. 二次电子3. 吸收电子4. 透射电子5. 特征X射线6.俄歇电子1.背散射电子2. 二次电子5. 特征X射线 6.俄歇电子均可进行晶体结构的研究试题解析：1）知识点：电子与固体物质相互作用2）答题思路：简述基本概念3）历年考频：此考点在近五年中共出现3次，分别为：04，06，07年.5. DTA曲线用什么作为反应起始温度，为什么？参考答案：使用外延始点作为反应起始温度。

聚合物纳米粒子制备方法的研究蒋小余 王 鹏（同济大学 材料科学与工程学院 上海 201804）摘 要： 综述聚合物纳米粒子的制备方法。

其制备方法主要有乳液聚合法、有机合成法－合成树枝状聚合物、自组装法、聚合物单分子链交联法。

最后，展望其可能的应用前景。

关键词： 聚合物纳米粒子；乳液聚合；自组装；应用中图分类号：0484.41 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0420014－010 引言1.4 聚合物单分子链交联法在以上的几种制备方法中，虽然乳液聚合虽然适用性广，但制备的纳纳米聚合物材料的制备及研究是当前国际前沿研究课题之一。

纳米聚米粒子粒径较大，达五十至数百纳米，并且粒径分布不均匀；而微乳液聚合物是指至少一维尺寸在100 nm 以内的聚合物，包括球状、线状、管状、合方法虽然能制备较小的纳米粒子，但该方法要加入大量的乳化剂与助乳棒状、层状等各种形态的结构。

而聚合物纳米粒子作为纳米聚合物材料的化剂，制备的粒子后处理比较困难；有机合成法主要是合成树枝状大分重要组成部分，具有许多既异于原子和分子又异于宏观样品的性质，其高子。

虽然该方法能制备大小在5-10nm 左右的纳米粒子，但有机合成树枝大的比表面积，稳定的形态结构，良好的加工性能，并易于通过化学或物理分子步骤复杂，通常在反应到4-5代就很难继续控制。

自主装法目前研究的方法进行改性，使其在具有小尺寸效应、表面效应和量子隧道效应的同的比较热门，体系较多，可制备20-200nm 的纳米粒子。

但如果想要制备大时，还具有其它特定功能，如光、电、磁、催化及生物活性功能。

在医学小在20nm 以下的纳米粒子还是很困难的。

因此，利用带某些可交联基团的免疫、生物工程、高效催化、航天能源以及微电子领域有着极其广阔的应聚合物单分子链在稀溶液中自交联的特性，可以制备尺寸大小在20nm 以下用前景。

的聚合物纳米粒子。

例如，Hawker[4]等以乙烯基苯并环丁烯（BCB ）为交1 聚合物纳米粒子的制备方法联单体，将其与苯乙烯或甲基丙烯酸甲酯共聚，再通过苯并环丁烯在加热1.1 乳液聚合法[1]条件下开环交联制得粒径大小在5-10nm 的单分子纳米粒子。

同济大学材料科学与工程学院高分子系杜建忠教授简介杜建忠，理学博士，国家杰出青年科学基金获得者,英国皇家化学会会士(FRSC)，美国化学会Biomacromolecules顾问编委，中国化学会高分子学科委员会委员，同济大学材料科学与工程学院和同济大学附属第十人民医院教授、博导，东方学者，中国生物材料学会生物医用高分子材料分会委员，上海市侨联委员，同济大学侨联主席，杨浦区侨联副主席，同济大学材料科学与工程学院教授委员会副主任,高分子材料系主任.2004年在中国科学院化学研究所获博士学位,2004〜2010年任英国谢菲尔德大学化学系、剑桥大学化学系博士后,2006年任德国洪堡学者,2010年起任同济大学东方学者特聘教授.已在J.Am.Chem.Soc.,Chem.Soc.Rev.,Prog.Polym.Sci.,Angew.Chem.Int.Ed.,Adv. Mater.,Chem.Sci.,Nano Lett.,ACS Nano,Mater.Horiz.,Macromolecules,ACS Macro Lett., Biomaterials,J.Controlled Release等著名期刊发表100多篇学术论文.其“以糖控糖”成果引起学术界关注:美国化学会为其发布新闻，美国著名科技新闻周刊《化学与工程消息》报导该成果，美国《学生科学新闻》将其改编成青少年科普读物《小小囊泡可吸糖》.主要荣誉：中科院优秀博士论文奖(2005)、全国百篇优秀博士论文提名奖(2006)、德国洪堡学者(2006)、东方学者(2009)、上海市浦江人才(2010)、教育部新世纪优秀人才(2010)、教育部霍英东青年教师基金(2012)、同济大学“我心目中的好导师”(2013)、第五届中国侨界贡献奖(2014)、同济大学首届“卓越杯"大学生科技创新竞赛特等奖优秀指导教师(2015)、同济大学优秀学生思想政治工作者(2016)、上海市优秀硕士学位论文导师(2016)、国家科技进步二等奖(2016)、第十五届“挑战杯”上海市特等奖优秀指导教师(2017)、中国复合材料学会优秀博士学位论文导师(2017)、中国化学会高分子科学创新论文奖(2017)、同济大学育才教育奖励金一等奖(2018)、同济大学优秀博士和硕士论文导师(2019)、上海市育才奖(2019)、国家杰出青年科学基金(2019)等.。

同济大学材料科学与工程学院轻量化材料课题组简介同济大学材料科学与工程学院轻量化材料课题组在莫凡教授和胡正飞教授带领下，主要从事新型轻量化材料开发应用、轻量化结构的服役行为及其失效分析与评价等方面的研究工作，具有显著的工程应用背景.课题组现有教师5人，在读博士和硕士研究生9人.近年来，在“十二五”国家科技支撑重大项目、国家重点研发专项、国家自然基金和上海科委重点项目等课题支持下，课题组开展了广泛的轻量化材料及其工程应用研究，内容涉及金属基复合材料、碳纤维树脂复 合材料制备，超高强度合金钢的工程化应用与评价和异种材料连接和工程应用等多个方面.课题组的研究 工作注重实验物理手段的运用，通过组织结构观察分析和数值模拟相结合的方法，深入理解材料组织结构 与性能关系，并结合到新材料开发和材料工程应用评价中去.在国内，课题组与中国中车、北京新能源汽车 和宝钢等大型企业实现了良好的产学研实质性合作，相关轻量化材料制备和工程应用项目的研究成果已经 应用到合作方的产品当中，包括新型轨道车辆和北京新能源汽车股份有限公司的新型轻量化汽车产品，这 些技术或产品工程应用为实现整车的轻量化，达到节能减排的目的提供了技术基础.在国际上，课题组与德 国德累斯顿工业大学、佐治亚理工大学等国外髙校进行了广泛的合作，实现了项目合作与师生交流.课题组已经发表学术论文将近200篇，出版专著3本，申请专利30余项.数年前，莫凡教授受科技部委派，在中国中车集团和同济大学支持下赴德国组建了中德轨道交通技术联合研发中心.通过与德国德累斯顿工业大学轻量化中心的全面合作，联合研发中心进行了轻量化列车车辆产业化制造方面的研究工作，取得了大量的研究成果，其中标志性的成果是中国中车正式发布了新一代碳纤维地铁车辆“CETROVO”.这一代车型是国际上首次在列车车辆上大规模应用碳纤维复合材料，实现了碳纤维复合材料在车体、转向架和司机室等车辆主承载结构上的全面应用.新型碳纤维轨道列车定型产品于2018年9月在德国举行的柏林国际轨道交通技术展 (InnoTrans 2018)上正式亮相并得国内外各方面的赞赏和高度评价.。

《聚合物结构与性能》习题集考试为开卷考试，但只能带课本，不能带任何资料，就是希望大家完全掌握下列知识，做合格高分子专业研究生！一、提高聚合物样品电镜下稳定性的方法对样品进行支撑：1.大目数电镜铜网，如400目铜网；2.无定型材料作支持膜：硝化纤维素（火棉胶），聚乙烯醇缩甲醛（PVF），或无定型碳；碳支持膜：通过真空蒸涂的办法，将碳沉积在光洁的载玻片或新剥离云母片表面，然后漂在蒸馏水表面，转移至铜网上。

二、提高聚合物样品成像衬度的方法有几个？（1）染色：将电子密度高的重金属原子渗入聚合物的某些区域通过提高其电子密度来增大衬度的。

从最终效果上染色分正染色和负染色。

从作用机制上染色分化学反应和物理渗透。

从手段上分直接染色和间接染色。

最常用的染色剂有：四氧化锇（OsO4）、四氧化钌（RuO4）四氧化锇（OsO4）染色：四氧化锇染色是利用其与-C=C-双键以及-OH和-NH2基团间的化学反应，使被染色的聚合物含有重金属锇，从而使图像的衬度提高。

四氧化钌（RuO4）染色：四氧化钌染色是利用其对不同聚合物或同一聚合物的不同部位（如晶区和非晶区）的不同渗透速率，使不同聚合物或同一聚合物的不同部位含有不同量的重金属钌，从而使图像的衬度提高。

（2）晶粒方向: 为得到清晰的衬度，可调整晶体样品的取向，使得除透射电子束外，只出现一个很强的衍射束，一般称为双光束情况（3）调整样品厚度；(4) 结构缺陷；(5)一次电子与二次电子相位三、何为橡胶的高弹性？高弹性的本质是什么？什么化学结构和聚集态结构的高分子能够作为橡胶材料？请用应力应变曲线表达出橡胶、塑料、有机纤维三者的区别。

橡胶的高弹性：小应力下的大形变、外力除去后可以恢复；高弹性的本质是熵弹性。

橡胶弹性是由熵变引起的，在外力作用下，橡胶分子链由卷曲状态变为伸展状态，熵减小，当外力移去后，由于热运动，分子链自发地趋向熵增大的状态，分子链由伸展再回复卷曲状态，因而形变可逆。

第4章聚合物的结构为什么学习聚合物的结构相对大量的化学和结构特性影响聚合物材料的性质和行为。

其中一些影响如下：1.半结晶聚合物的结晶度对密度、力学强度和延展性的影响（4.11和8.18节）。

2.交联度对橡胶类材料的刚度的影响。

学习重点：仔细学过这一章后，你应当掌握以下内容：1.根据聚合物的链结构描述典型的聚合物分子，并且知道如何从基元的重复构成聚合物分子。

2.画出聚乙烯、聚氯乙稀、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚酯分子的单体结构。

3.计算数均分子量和质均分子量，已知某聚合物的数均和质均聚合度。

4.命名和简要描述：（a）四种基本类型的聚合物分子结构；（b）三种类型的立体异构；（c）两种类型的几何异构；（d）四种类型的共聚物。

5.说明热塑性和热固性聚合物的分子结构和性能上的差异。

6.简要描述聚合物中的结晶态。

7.简要描述/画出半结晶聚合物的球状结晶。

4.1引言天然产的聚合物——那些从植物和动物身上提取的物质，已经被人类使用了许多个世纪；这些材料包括木材、橡胶、棉花、羊毛、皮革和丝绸。

其它天然聚合物如蛋白质、酶、淀粉和纤维素在植物和动物的生物学和生理学上是很重要的。

现代科学研究手段已经能够测定这类材料的分子结构、以及从小的有机分子合成和开发出许多新的聚合物材料。

我们现在使用的许多塑料、橡胶和纤维是人工合成的聚合物材料。

事实上，从二战结束以来，由于人工合成聚合物的出现，材料世界发生了革命性的变化。

这些合成材料生产成本低，性能优于它们的天然同类产品。

在一些过去使用金属和木材的场合，现在已经被性能更好更便宜的塑料所取代。

正如金属和陶瓷材料，聚合物的性质与材料的结构和组成有关。

本章将探讨聚合物材料的分子和晶体结构；第8章将讨论聚合物结构和力学性质间的关系。

4.2碳氢分子因为大多数聚合物是有机物，这里我们简要叙述有关它们的分子结构的一些基本概念。

首先，许多有机材料是碳氢化合物，即它们是由碳和氢元素构成的。

其次高分子材料分子内的键是共价键。

绪论1. 材料和材料科学的定义：材料：具有在特定条件下使用要求的形态和物理状态的物质（不包含燃料、化工原料或产品、食品和药品）。

材料科学：研究材料的化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系及变化规律的一门学科。

材料科学的内涵：核心问题是材料的组织结构与性能以及两者之间的关系。

2. 材料科学与工程的四要素模型及四要素之间的关系：材料的成分与结构是影响其各种性质的直接因素，加工过程通过改变材料的成分与结构从而影响其性质。

例如铁碳合金，不含碳时，即纯铁，延展性好但强度低；含碳量较低时，称之为钢，钢中含碳量增加，强度硬度上升，但塑性韧性下降。

由同一元素碳构成的不同材料如石墨和金刚石,也有着不同的性能。

结构与成分是材料研究的核心，性质是落脚点，根据材料的性质可以确定其使用效能，例如金属具有刚性和硬度，可做结构材料。

材料的制备/合成和加工不仅赋予材料一定的尺寸和形状,而且是控制材料成分和结构的必要手段。

如钢材可以通过退火、淬火、回火等热处理来改变它们内部的结构而达到预期的性能,冷轧硅钢片经过复杂的加工工序能使晶粒按一定取向排列而大大减少铁损。

3. 材料结构层次与材料结构和性能的关系：①原子结构②结合键内部结构③原子排列方式（晶体、非晶体）④显微组织⑤宏观组织（肉眼可见）讨论结构对性能的影响关系：①原子结构②结合键③原子排列方式④显微组织和缺陷 Eg.1 结合键受到原子结构影响，易失去电子的元素形成金属键，结合键为金属键，导致原子趋于紧密堆积，电子共有化使得受力形变时金属键不至于破坏，故而有很好的延展性。

Eg.2 组织是指金相观察方法观察材料内部时看到的涉及晶粒大小、方向、形状、排列方式等组成关系的组成物。

如铁素体和珠光体。

材料热处理加工导致组织结构变化，其力学性能也有所差异。

4. 材料选择的基本原理①性能使用性原则：根据工作环境条件，按照材料的性能指标来选择相应的适用材料。

②失效性选择原则：对服役后失效的材料进行失效原因、解决对策分析，选择新的适用材料。

材料科学与工程导论1. 引言材料科学与工程是研究材料的组成、结构、性能和制备工艺的学科。

它涉及到许多领域，如化学、物理、生物学和工程学等。

材料科学与工程的开展对现代社会的各个方面都具有重要的意义，包括能源、环境、医疗、电子等。

2. 材料的分类根据材料的性质和组成，可以将材料分为金属、陶瓷、聚合物和复合材料四大类。

金属材料具有良好的导电性和导热性，常见的金属材料有铁、铜、铝等。

陶瓷材料具有高的硬度和抗腐蚀能力，常见的陶瓷材料有瓷器、玻璃等。

聚合物材料具有良好的可塑性和绝缘性能，常见的聚合物材料有塑料、橡胶等。

复合材料是由两种或更多种材料组合而成，具有综合性能优于单一材料。

3. 材料的性能材料的性能是指材料在特定条件下所表现出的特性。

常见的材料性能包括力学性能、热性能、电性能、磁性能等。

力学性能包括强度、韧性、硬度等。

热性能包括热导率、热膨胀系数等。

电性能包括导电性、介电常数等。

磁性能包括磁导率、磁饱和磁感应强度等。

4. 材料的制备工艺材料的制备工艺是指将原始材料经过一系列加工和处理步骤转变为所需的最终产品的过程。

常见的材料制备工艺包括熔炼、成型、烧结、合成等。

熔炼是将固态材料加热至熔点并冷却固化的过程。

成型是将熔融或可塑性材料加工成所需形状的过程。

烧结是将粉末材料在高温条件下进行烧结以获得致密结构的过程。

合成是在化学反响条件下将原始物质转化为目标材料的过程。

5. 材料科学的应用材料科学的应用非常广泛，几乎涉及到所有的工业和技术领域。

在能源领域，材料科学的应用可以提高电池的储能密度和光伏电池的效率。

在汽车领域，材料科学的应用可以降低汽车的重量和提高汽车的平安性能。

在医疗领域，材料科学的应用可以改善医疗器械的生物相容性和可植入性。

在电子领域，材料科学的应用可以制备出更小、更快、更节能的电子设备。

6. 材料科学的开展趋势随着科学技术的不断开展，材料科学也在不断进步。

未来的材料科学开展将更加注重材料的可持续开展和综合性能的提升。