北京化工大学聚合物结构与性能考试2013复习题答案

材研1204 1.通过人类五次产业革命的学习给予了我们哪些启发？ 人类五次产业革命分别是：(1)石器时代：300,000 BC — 3,500 BC，人类开始出现文明；(2)青铜器时代：3,000 BC — 十六世纪，生产力大大提升；(3)蒸汽机时代：1600AD-20世纪，科学技术的发展，影响到社会的方方面面，人类文明得到飞速发展；(4)化学工业兴起时代： 20世纪，化学工业的兴起，使得化学材料进入人们的生活，成为不可或缺的一部分；(5)电气和微电子产业时代：20世纪下，生产的自动化程度，提高了劳动生产率。 总之，五次产业革命给我们的启示总结如下： 启示一：低级向高级发展 从历次产业革命演进规律来看，技术由低级向高级发展，产业也同样由低级向高级演进，其实质是解决人类生命体生存与延续。如果说前几次产业革命是满足人类生命体本身的维持需求，那么新一次产业革命，将主要满足延长生命体周期的需求。未来的产业革命，也仍然是围绕着维持与延长生命体的物质与精神需求，不断向高级发展。 2启示二：科技与产业之间的关系 科技与产业之间的关系：科学技术化，技术科学化。 从过去五次产业革命的过程来看，科学对产业革命起到了先驱的作用。 当大量的理论科学积累到一定的程度，带来生产技术的重大突破，一旦主导产业的生产技术得到革命性的突破，就会带来产业体系的变革。 3启示三：飞跃式发展 人类社会文明的飞跃式进步。每一次产业革命的爆发，都伴随着一些国家的上升，我们应该抓住新的产业革命的机会，以科技发展为先导，完成产业结构的合理化调整和变革，促进生产力的发展，实现跨越式发展。

2. 通过对21世纪人类所面临的八大领域问题的了解，你对人类未来前景有什么看法？ 八大领域包含：生命科学与生物技术、信息科学与工程、材料科学与工程、新型能源科学、环境科学、海洋科学、宇航科学、安全科学。 生命科学与生物未来前景： 技术人类对生命现象的认识更加清晰；实现基因修复，避免一些因为基因缺陷而造成的先天性疾病；征服各种疾病；生物芯片广泛应用，使得基因诊断，药物筛选等效率大大提高。 信息科学与工程未来前景： 全球都处于一种信息网络之中，信息网络覆盖我们生活的方方面面电子技术的发展，使得我们生活的许多物品被电子产品取代，另外许多物品都被添加了电子功能。自动化从生产普及到生活中，遥感技术得到发展和广泛应用 材料科学与工程前景 高性能，功能化，环境友好型的材料不断取代传统材料。各种具有特殊性能的和功能化的材料的研究不断取得突破，为生命科学、信息科学、能源科学、环境科学、海洋科学、宇航科学以及安全科学的发展奠定坚实的基础。 新型能源科学前景 材研1204 太阳能，风能，潮汐等能源得到合理的开发和利用。安全的利用核能，煤石油等不可再生资源被各种可再生的环境友好的新型能源所取代。人类不用再担心能源的枯竭，实现可持续发展。 环境科学前景： 建立具有复杂功能的生态系统乃至生物圈，实现循环发展，绿色发展，新材料和新技术的开发应用，使得现有的环境污染问题得到有效的遏制和解决，沙漠化得到遏制，沙漠得到有效利用，气候变化趋于正常 海洋科学前景： 进入新世纪以来，随着共同面临的人口、资源和环境问题的不断加重，人类对海洋的青睐和倚重更加凸显。沿海各国纷纷调整和制定新的海洋战略和政策，一个以权益为核心，资源和环境为载体的全球范围的“蓝色圈地”运动正在深入、广泛地展开。深海远海开发的技术取得突破和发展，海洋资源得到充分的开发和利用，海洋开始取代陆地成为人们获取资源的宝库，甚至生活居住的家园。 宇航科学前景： 21世纪国家对航天能力的依赖可与19-20世纪国家对电力和石油的依赖相比拟。空间技术高度发展，利用空间技术对地球的认识和探索更为全面科学。对宇宙认识进入到更深入的层面，探索其他星球可供利用的资源，太空旅游更加安全便捷 安全科学前景： 更加方便有效的食品安全检测技术出现，和相关法律法规的出台，以及监督惩罚机制的健全，使得未来人们的食品安全问题能够得到有效的保障。食品、药品、医用材料的安全问题越来越受到人们的重视，中医药学重新焕发生机。

3. 为什么说新型材料科学与工程是发展八大领域的先导？ 材料是现代科学技术的支柱之一，新型材料和八大领域技术彼此相互联系，渗透交叉，整个科技群体构成了协同发展的复杂世界。首先，八大领域先进技术的发展无不建立在新型材料科学与工程的发展。比如，生命科学与生物技术与生物材料的发展息息相关；信息科学的发展离不开电子信息材料的开发；环境科学的发展需要开发新型环境友好型材料；高强超韧材料的研发可以为我国的海洋开发、海洋利用和海洋保护提供先进的技术和手段；能源生产与节能先进技术中再生能源（特别是太阳能）的利用虽然诱人，但材料是瓶颈，只有研发新材料才能有效发展能源科学；航天器的发展必须以高性能材料的发展为基础，有极轻的重量和极高的强度，从而使它们性能先进、有效载荷大和耐航性长„„其次，八大领域的发展也会带动与之相应的新型材料科学与工程的发展， 新技术的产生和发展往往是“连锁反应”，全面爆发，相互激发，形成技术的“群体革命”。 新型材料科学的发展更会带动八大领域相关材料的发展，最终还是为了进一步发展人类进步，为人类的优质生存服务，因此新型材料是发展的先导。

△4. 四大材料各自的特征及不同功能，请用材料中电子的行为来论述其的内在机理。 答：四大材料分类：金属材料，无机非金属材料，高分子材料，复合材料； 材研1204 （1）金属材料 金属原子的原子核较重，核外电子云较多，原子最外层电子较少，处于自由运动状态，当金属原子相互靠近而产生相互作用时，都易失去最外层电子而成为离子。每个电子可和若干个电子随时作用形成金属键，三维空间有序排列，从而形成金属材料，其具有以下主要特性：1金属光泽，当可见光照到金属表面时，价电子吸收光子的能量发生跃迁，光子不能通过金属，使其表现为不透明，宏观上表现为金属光泽。2导电性，由于自由电子的存在，且金属的价带导带重叠，电子很容易受到激发从价带跃迁到导带，因而金属是很好的导体。3导热性，离子的振动和电子的运动使之具有导热性。4机械性能：a 高强度，由于金属键的存在，使金属具有较高的强度。b 塑性，金属晶格中位错的运动使之具有良好的延展性和抗冲击性。 （2）高分子材料 高分子材料由多个重复结构单元连接而成，主要有塑料、橡胶、纤维、涂料四大类。其主要特性有：1原子由共价键相连，分子量大，具有高度饱和性。聚合物中没有可以自由流动的电子，更没有传递电子的离子，故而具有绝缘性。2键的位置不能随意移动，较易断裂，分子间范德华力作用强度较低，拉伸时可以改变链的构象，当外力撤除时可以回复到稳定构象，具有多弹性。3熔融时分子链互相缠结，致使分子链段运动困难，因而粘度很高。4结构规整的聚合物分子链可以在适当条件下结晶，远程序差，存在熔限。 （3）无机非金属材料 非金属材料就是我们平时所说的陶瓷材料，陶瓷材料多以共价键、离子键或共价离子混合键连接。共价键具有高度的方向性和饱和性，离子键形成正负离子相互作用。正是由于化学键与显微结构的不同，陶瓷材料具有金属难以比拟的优点：1熔点高、耐热性好、耐磨损、抗腐蚀和抗氧化，弹性模量、硬度、高温强度高。2电的绝缘体和半导体，具有各种各样的磁性能和介电性能。3抗变形能力好。但陶瓷材料塑性变形能力差，韧性低，不易加工成型。 （4） 复合材料 复合材料是指把两种以上宏观上不同的材料，合理地进行复合而制得的一种材料，复合材料是多相材料，包括基体和增强相。复合材料的突出特点是：典型的复合材料是在一个特定的基体中（matrix），填充有一种或多种填充体（filler）；既能保留原组分或材料的主要特色，并通过复合效应获得原组分所不具备的性能；可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能。 1比强度和比模量高。比强度是抗拉强度与密度之比，比强度高的材料能够承受高的应力；比模量是弹性模量与密度之比，比模量高说明材料轻而且刚性大。2通过纤维的抹除和断裂吸收能量使其具有优异的力学性能。3耐化学腐蚀性好，电性能热性能好。4层次强度低，易分层破坏，属脆性材料。5具备各向异性的性能及与之相关性能的可设计性。

5. 四大材料如何相互促进发展？有哪些主要途径，你在这方面有什么创新思想。 答：四大材料的发展密不可分，他们既相互竞争、取代，又紧密联系、复合使用，起到了相互促进发展的作用。主要途径有：一、相互取代：比如骨科修复材料，随着光固化技术的发展，光固化高分子骨科修复正逐步取代过去用的金属材料。再比如，航空材料的主要求是耐高温、高比强、抗疲劳、耐腐蚀、长寿命和低成本，复合材料因其多功能化、复合化、材研1204 精细化正部分取代了金属合金；二、相互改良：随着科学的进步和现实的需要，单一材料已经不能满足人们的需要，因而在今后一段或者是很长的时间里，材料终将会以多元复合作为主导，以达到各种性能的组合最佳状态。从而保证材料在各个方面的应用。复合材料是最好的例子，炭黑增强橡胶，玻璃纤维增强树脂。三、配合使用：金属材料需要与高分子材料涂料配合使用来到防腐的目的。 复合材料研究是主流 随着科学的进步和现实的需要，单一材料已经不能满足人们的需要，因而在今后一段或者是很长的时间里，材料终将会以多元复合作为主导，以达到各种性能的组合最佳状态。从而保证材料在各个方面的应用。 梯度材料是一个全新发展方向 梯度功能材料（functional gradient materials）是指材料的组成和结构从材料的某一方位一维二维或者三维）向另一方位连续地变化，使材料的性能和功能也呈现梯度变化的一种新型的功能性材料．从材料的结构角度来看，梯度功能材料与均一材料、复合材料不同。它是选用两种（或多种）性能不同的材料，通过连续地改变这两种（或多种）材料的组成和结构，使其界面消失导致材料的性能随着材料的组成和结构的变化而缓慢变化，形成梯度功能材料。FGM研究除了在设计、合成与性能评价三方面不断改进、创新之外，更重要的是：（1）将FGM 技术与纳米技术结合起来研究；（2）将FGM技术与智能材料系统有机地结合，是本世纪材料科学发展的主导方向之一。 有机-无机杂化应该得到重视 兼顾有机材料的优点又具有无机材料的特性还平添一些特有的全新功能，如说POSS。 重点突出，全面进步是必然 （1）在以复合材料的合成与应用为主题的今天，我们除了要在既定的聚合物中添加既有复合，也应该同时合成更多的聚合物以及不同结构和官能团的添加小分子，以健全材料体系的完备性。（2）学科间、领域间相互渗透相互促进更加有利于整体科学水平的提高。 （3）科学应该紧跟数学步伐，朝着科学的量化、定理化，而非当今主要的经验式的、表述性的科学。 极限化的含义是指在尺寸、压力、温度、纯度各种量纲范围内追求极限， 而使材料的性能产生根本性的飞跃。例如，在超高温、超高压条件下用石墨可合成金刚石，在超高真空中、制备新型的半导体器件和高度集成的芯片。