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Published by庵 翟 Modified 7年之前
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材料与人类 在人类的生活和生产中,材料是必需的物质基础。新材料的使用对人类历史的发展起了重要的作用。20世纪70年代人们曾把材料、信息、能源归纳为现代文明的三大支柱,现在又预言新的技术革命即将来临,并且把信息技术、生物技术和新型材料作为这次革命的重要标志。
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材料-人类社会文明大厦的基石 金属材料--长盛不衰 金属材料与人类文明 从神秘的形状记忆合金到未来能源材料之星--储氢合金
古老的陶瓷--旧貌换新颜 从一个古老的材料王国到现代无机材料的再度辉煌。 威力无比的先进结构陶瓷到奇妙无穷的功能陶瓷。 年轻的高分子材料--千姿百态 20世纪新兴的材料王国--现代生活的高分子材料 功能高分子各显神通 先进的复合材料--巧夺天工 新型功能材料--人类文明进步的阶梯 生物材料、信息材料、环境材料、纳米材料、能源材料和智能材料
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材料科学技术几个活跃领域 1.生物材料:包括生物医用材料和仿生材料。 2.智能材料:如压电陶瓷和形状记忆合金。
3.环境材料; .纳米材料 5.功能高分子材料: 吸水性高分子、导电高分子、发光有机高分子、高分子形状记忆、高分子电解质、高分子压电、有机非线性光学材料、可降解高分子及高分子液晶等。 6.计算机模拟与材料设计: 通过计算机模拟来预测材料的结构、性能及其间的关系,从而达到材料设计,形成了一门“计算材料科学”。
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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 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
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 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 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 志之一。
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材 料 的 发 展 历 史 金属材料 高分子材料 相对占有量 复合材料 无机非金属材料 时间 / 年 金 青铜 铁 钢 玻璃态金属 合金钢
木材 皮革 纤维 微合金钢 骨 皮胶 相对占有量 橡胶 复合材料 功能高分子 耐热合金 稻草杆砖 纸 高温高分子 赛璐珞 高强高模高分子 火石 各种基体复合材料 陶 瓷 玻璃 水泥 通用高分子 耐火材料 无机非金属材料 先进功能陶瓷 纤维增强塑料 韧性工程陶瓷 金属陶瓷 5000 公元前 公元 1000 1500 1800 1900 1940 1960 1980 1990 2000 2010 时间 / 年
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现代科技与现代文明 能 源 材 料 信 息
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一、材料是人类社会进步的里程碑 材料是人类文明的物质基础 ,从远古的石器时代到青铜器时代,然后再进入铁器时代,每一种新材料的出现和使用,都伴随着生产力和科学技术的发展,标志着人类文明的进步。
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公元前10万年左右,原始人采用天然的石、木、竹等材料作为工具。史称“旧石器时代”。
公元前6000年,人类发明了火,逐渐可以烧制陶器,后来又在制陶的基础上又发明了瓷器。 人类在大量烧制陶瓷的实践中,熟练地掌握了高温加工技术,利用这种技术烧炼矿石,逐渐冶炼出铜及其合金青铜,后来发展到炼铁。
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石 斧
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青铜奔马(马踏飞燕)
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湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑
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湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄
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河北沧州铁狮子
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18世纪随着蒸气机的发明,欧洲爆发了产业革命,工业迅猛发展,推动和促进了以钢铁为中心的金属材料的大规模发展
第二次世界大战后各国致力于恢复经济,发展工农业生产,对材料提出了质量轻、强度高、价格低等一系列新的要求。具有优异性能的工程塑料部分代替了金属材料,合成纤维、合成橡胶、涂料和胶粘剂等都得到了相应的发展。
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进入20世纪80年代以来,在世界范围内高新技术迅猛发展,各国展开激烈的竞争,都想在生物技术、信息技术、空间技术、能源、海洋开发等领域占有一席之地。发展高新技术的关键往往是材料,因此新型材料的开发本身就成为一种高新技术。在新材料领域,近年来相继在超导材料、生物材料、纳米材料等方面取得了较大突破。
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合成材料的品种很多,合成纤维、塑料、合成橡胶为常用的三大合成材料,而黏合剂、涂料也属合成材料的范畴。
有机合成材料的诞生,结束了人类只能依靠天然材料的历史。
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“一箭双星” “神舟”5号发射
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杨伟利与返回舱
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欧洲的火星快车
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“勇气号与机遇号
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勇气和机遇号火星车传回的照片
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美国“深度撞击”彗星
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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、 无机非金属材 料、复合材料将出现四大类工程材料平 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 大未来高技术领域中,先进材料中的先进陶瓷和高分 子基质材料将于今后25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 的关键技术领域。
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(3)对新一代材料的主要要求: a. 既是结构材料又具有多种功能的材料; b. 具有感知、自我调节和反馈等能力的智能型材料; c. 制作和废弃过程中尽可能减少污染的绿色材料; d. 充分利用自然资源,能循环作用的可再生性材料; e. 少维修或不维修的长寿命材料。
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2、高分子科学 研究高分子化合物合成、改性,高分子及其聚集态的结构、性能,聚合物的成型加工等内容的一门综合性学科。包括高分子化学、高分子物理、高分子工程几个领域。 高分子 工程 高分子 科学 高分子 化学 高分子 物理
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高分子科学的基础。主要研究高分子化合物的分子设计、合成及改性,担负为高分子科学研究提供新生化合物、为国民经济提供新材料及合成方法的任务。
高分子化学 高分子科学的理论基础,主要研究高分子及其聚集态的结构、性能、表征以及结构与性能、结构与外场力的影响之间的相互关系,指导高分子化合物的分子设计和高聚物作为材料的合理使用。 高分子物理 研究涉及聚合反应工程、高分子成型工艺及相应的理论、方法的研究,为高分子科学与高分子工业间的衔接点。 高分子工程
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高分子科学的知识框架 高分子科学 分 子 结 构 形 态 形 状 使 用 性 能 小分子化合物 高分子化合物 制品 循环利用 聚合反应工程
石油 天燃气 煤 其它 循环利用 聚合反应工程 高分子工程 聚合物成型加工 高分子科学 化学工程 …... 高 分 子 化 学 高 分 子 物 理 材料力学 流体力学 …... 有机化学 物理化学 物 理 无机化学 分析化学
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二十世纪30~40年代:高分子工业和科学的创立时期
高分子工业: 塑料:PVC(1931)、PS(1934)、LDPE(1939)、ABS (1948) 橡胶:氯丁胶(1931)、丁基胶(1940)、丁苯胶(1940) 纤维:PVC(1931)、尼龙-66(1938)、PET(1941)、维纶(1948) 高分子科学: H.Staudinger 《高分子有机化合物》出版 - 1929~40 W.H.Carthorse, P.J.Floury 缩聚反应理论 - 1932~38 W.Kuhn, K.H.Mayer 橡胶弹性理论 1935~48 H.Mark, F.R.Mayo, et al 链式聚合反应和共 聚合理论 - 1942~49 P.J.Flory, M.L.Huggins, et al 高分子溶液理论 - 40年代 Harkin-Smith-Ewart 乳液聚合理论
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二十世纪50年代:现代高分子工业确立、高分子合成化学大发展时期
高分子工业: HDPE (1953~55)、PP(1955~57)、BR(1959)、 PC(1957) - 石油化工产品的80%用于高分子工业 - 塑料以两倍于钢铁的速率增长(12~15% / 年) 高分子科学: - 1953~56 Ziegler-Natta 催化剂和配位阴离子聚合 - 50年代 Szwarc 阴离子活性聚合 Kennedy 阳离子聚合 A.Keller 获得聚乙烯单晶
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二十世纪60年代:高分子物理大发展时期 高分子工业: 通用塑料:PE、PP、PVC、PS (80%)、PF、UF、PU、 UP(20%) - 工程塑料:ABS、PA、PC、PPO、POM、PBT、 合成橡胶:丁苯胶、顺丁胶、乙丙胶、异戊胶、丁基胶、 丁腈胶 - 合成纤维:PET、PAN、PP、PVA、nylon 高分子科学: - 各种热谱、力谱、电镜、IR手段的应用: 1960 高分辨率NMR、 GPC的使用 - 结晶高分子、高分子粘弹性、流变学理论研究的深入
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二十世纪70年代:高分子工程科学大发展时期 高分子工业: - 生产的高效化、自动化、大型化: 塑料~6000万t、橡胶~700万t、化纤~6000万t、 - 高分子合金,如HIPS - 高分子复合材料,如碳纤维增强复合材料 高分子科学: - 1971~78 白川英树等 导电高分子 Kevlar 纤维
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二十世纪末期:高分子科学的扩展与深化 高分子工业: 80年代初,三大合成材料产量超过10亿t,其中塑料 8500万t,以体积计超过钢铁的产量 - 精细高分子、功能高分子、生物医学高分子 高分子科学: - 提出分子设计概念 O.W.Webster 基团转移聚合 王锦山 原子(基团)转移自由基聚合
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高分子科学的现况 在科学的整体发展中:高分子科学处于多种学科的交汇点上, 为其发展提供了良好的学科环境。
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高分子概念的确立 * 1833年,Berzius在对鲸油的热镏油的分镏产物时,首次提出“要描述这种组成
相同但性质相异的物质,我建议称为Polymer(聚合的)物质” * 1892年,Tilden对天然橡胶裂解成分进行分离、分析,确定了异戊二烯结构式 * 1904年,Green针对纤维素是由小分子堆集而成,还是由糖基通过共价键联结 而成的讨论,提出“纤维的物理性质显示出纤维素是高分子量的物质” * 1907年,Ostwald提出分子胶体概念,并于1920年出版《胶体化学》 * 1920年,Staudinger发表《论聚合》,提出无论天然或合成高分子,其形态和 特性都可以由具有共价键连接的链式高分子结构来解释 * 1924年,Svedberg发明出超速离心机,用于血红蛋白分子量的测定 * 1932年, Staudinger发表《高分子有机化合物》,现代高分子概念获得公认
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中国的高分子研究起步于二十世纪50年代,作出杰出贡献的有: 液、高分子凝聚态、有机金属导体等一些重要的研究领域。
1、理论研究 中国的高分子研究起步于二十世纪50年代,作出杰出贡献的有: 王葆仁先生:在我国高分子科学的形成、发展中进行了重要的组织工作,培 养了一大批学科骨干。 冯新德先生:在自由基聚合、氧化还原引发体系等领域开展了系统的基础研 究,并开创了国内医用高分子研究领域。 钱人元先生:对我国高分子物理的发展起了奠基作用,开拓了我国高分子溶 液、高分子凝聚态、有机金属导体等一些重要的研究领域。 何炳林先生:开拓了我国离子交换与吸附树脂的研究领域,并在将基础研究 和应用研究相结合推动产业发展方面做出富有成果的尝试。 钱保功先生:在组织高分子化学、高分子物理进行学科联合,共同开发我国 新品种橡胶研究方面做出了重要贡献。 唐敖庆先生:开展了高分子统计理论研究,在高分子化学、高分子物理理论 研究方面开创了一个重要领域。 徐 僖先生:长期开展的塑料成型研究为我国高分子成型科学基础研究的发 展起了重要奠基的推动作用。
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3、研究队伍(2000年) 科学院院士12人、工程院院士4人、高级研究人员约2000人、总人数约1.5万人
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