材料科學(xué)與工程11-20專業(yè)英語(yǔ)翻譯

1、材料科學(xué)與工程專業(yè)英語(yǔ)參考翻譯(11-20)專業(yè)：材料物理姓名：43110103劉偉吉林大學(xué)材料科學(xué)科學(xué)與工程材料物理1542235857可編輯范本11微結(jié)構(gòu)、加工過(guò)程和應(yīng)用之間的聯(lián)系微結(jié)構(gòu)、加工過(guò)程和應(yīng)用之間的聯(lián)系材料科學(xué)與工程領(lǐng)域經(jīng)常是根據(jù)四大方面一合成與加工，結(jié)構(gòu)與組成，性質(zhì)和性能之間的相互聯(lián)系來(lái)定義的。為了理解任意材料的行為（性能表現(xiàn)）與 性質(zhì)，有必要去了解它的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)可以從幾個(gè)水平層次來(lái)考慮，這些都會(huì)影 響材料的最終行為（性能表現(xiàn)）。能夠?qū)Σ牧系念伾?、電?dǎo)性和磁性產(chǎn)生影響的 電子構(gòu)型是材料的最精細(xì)的水平。原子中的電子排布方式影響它是如何與其他原子結(jié)合的。這（結(jié)合方式） 反過(guò)來(lái)又對(duì)晶

2、體結(jié)構(gòu)有著重大影響；結(jié)晶陶瓷具有非常規(guī)則的原子排列，然而， 這種長(zhǎng)程有序的排列在非晶體和無(wú)定型陶瓷中卻不存在，盡管在局部我們可以 看到相似的多面體結(jié)構(gòu)。這種材料相對(duì)于它們的晶體經(jīng)常表現(xiàn)出不同的行為。 我們不僅要考慮具有完美品格和理想結(jié)構(gòu)的情況，也要顧及到材料中不可避免 的結(jié)構(gòu)缺陷的存在，甚至是無(wú)定型的，這類缺陷例如雜質(zhì)原子和位錯(cuò)。多晶陶瓷的結(jié)構(gòu)由許多晶粒組成。晶粒的尺寸，形狀和位向在這些材料的 許多微觀性質(zhì)中扮演者重要的角色，例如力學(xué)強(qiáng)度。在大多數(shù)陶瓷中，多相共 存，每一相都有自己獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、組成和性質(zhì)。對(duì)材料中的這些相的類型、尺 寸、分布和總量的控制為控制性質(zhì)提供了一種方式。陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)通

3、常情況 下是它所經(jīng)歷的加工過(guò)程的結(jié)果。例如，熱壓處理的陶瓷一般情況下只有極少 數(shù)孔隙，燒結(jié)材料很少有這種現(xiàn)象。通過(guò)這篇課文，結(jié)構(gòu)、加工過(guò)程和性質(zhì)之間的相互聯(lián)系將會(huì)很明顯地顯示 出來(lái)。但這里用5個(gè)例子來(lái)說(shuō)明。1 .根據(jù)霍爾派奇方程，多晶陶瓷的強(qiáng)度取決于晶粒尺寸。一般來(lái)說(shuō)，品 粒尺寸降低時(shí)，強(qiáng)度升高。晶粒尺寸是由初始粉體顆粒的大小和它們的凝結(jié)方 式所決定的。多晶陶瓷中的境界也很重要。強(qiáng)度自然取決于材料是否純凈、是 否包含第二相或孔隙，抑或晶界處的玻璃態(tài)。對(duì)于納米陶瓷來(lái)說(shuō)，這些關(guān)系卻 并非總是非常明顯的。2 .透明或者半透明陶瓷需要限制由氣孔和第二相粒子引起的光的散射。 通過(guò)熱壓處理可使孔徑減小從而

4、得到高密度產(chǎn)品。這種方法應(yīng)用在光電領(lǐng)域制 出了透明的PLZT陶瓷，例如短暫失明護(hù)目鏡。3 .因?yàn)殡s質(zhì)的存在，主要是能夠散播聲子的氧氣的存在，導(dǎo)致商業(yè)上應(yīng) 用的多晶體AlN的熱導(dǎo)性通常比預(yù)計(jì)的理論值要低。添加稀土或堿金屬氧化物 （分別加Y2O3作為吸氣劑可以減少氧含量。這些氧化物要在AlN成型前與AlN 混合。在氧化物添加劑和涂在 AlN晶粒表面的氧化物之間形成的第二相，隔離 了三相點(diǎn)（?）。4 .軟鐵氧體如在一系列不同的設(shè)備中得到應(yīng)用。舉個(gè)例子，在電視 顯像管中用作移動(dòng)電子束的粘轆。軟鐵氧體的磁導(dǎo)率是晶粒尺寸的一項(xiàng)功能。 大的無(wú)缺陷晶粒是首選，因?yàn)槲覀冋切枰@種移動(dòng)磁疇壁。缺陷和境界釘扎 在

5、疇壁處會(huì)很難使磁化強(qiáng)度達(dá)到飽和。5 .因?yàn)檠趸X陶瓷具有很高的電阻率和低介電常數(shù)，所以它可以作為絕 緣體。很多情況下純凈的氧化鋁是不會(huì)被用到的。取而代之的是我們將氧化鋁 和硅酸鹽混合，降低燒結(jié)溫度。這樣的材料稱為低強(qiáng)氧化鋁，在氧化鋁晶粒間含有玻璃態(tài)硅酸鹽相。低強(qiáng)氧化鋁通常情況下比純氧化鋁有高的導(dǎo)電率（低的電阻率） ，在火花塞上用到。安全涉及材料的工作，安全考慮應(yīng)該放在第一位。與陶瓷工作相關(guān)時(shí)，幾項(xiàng)重要的預(yù)防措施要被采取。有毒粉末包括例如Pb或Cd,氟化物應(yīng)該有所了解。在運(yùn)輸時(shí)，廠方要提 供關(guān)于產(chǎn)品危害方面的信息。閱讀這些信息并保持它們?nèi)菀撰@取是很重要的。一些標(biāo)準(zhǔn)資源提供與有毒粉末和可接受的風(fēng)險(xiǎn)

6、水平的信息，在“參考書(shū)”都有給出。小顆粒應(yīng)該是不能被吸入人體內(nèi)的。自從19 世界 60 年代這些影響眾所周知，文獻(xiàn)中也都有，但起經(jīng)常被忽視。適當(dāng)通風(fēng)，改善衛(wèi)生和防護(hù)服已經(jīng)顯著地降低了許多工業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生頻率。處理任何粉末（有毒或者無(wú)毒材料）都應(yīng)當(dāng)格外小心。最具危險(xiǎn)的被認(rèn)為是顆粒尺寸 <1 微米；大顆粒不會(huì)在空氣中停留住夠長(zhǎng)的時(shí)間而被吸入體內(nèi)，即使被吸入，也不能與上呼吸道曲折的輪廓發(fā)生信息交流。目前納米粉體的毒性與環(huán)境影響還沒(méi)有被明顯提出，但它卻是許多研究的主題， 2004 年英國(guó)皇家科學(xué)院的研究報(bào)告就是其中一例。高溫處理在很多陶瓷加工過(guò)程中被用到。高溫對(duì)人體的影響是很明顯的，不那么明顯的是

7、熱的東西到底怎么影響的。表格 3.3 給出了溫度的顏色標(biāo)度。從制表中可以看出， 400 度的鋁管顏色沒(méi)有變化但會(huì)灼傷皮膚。有機(jī)物在加工過(guò)程中被用作溶劑和粘合劑。傳統(tǒng)上，有機(jī)材料在陶瓷加工過(guò)程中充當(dāng)很小的角色?，F(xiàn)在他們被廣泛地應(yīng)用在成型處理上。再次強(qiáng)調(diào)，生產(chǎn)廠家要在他們運(yùn)輸?shù)漠a(chǎn)品中提供安全數(shù)據(jù)表單，這些信息十分重要，要仔細(xì)閱讀。約定俗成的是，使用材料時(shí)，材料安全數(shù)據(jù)表單應(yīng)該容易閱讀；很多時(shí)候他們要被保存在實(shí)驗(yàn)室中。12 生物陶瓷生物材料是應(yīng)用到醫(yī)療器械中并與生物系統(tǒng)發(fā)生相互作用的一種非活性材料。生物陶瓷領(lǐng)域相對(duì)來(lái)說(shuō)較新，直到 20 世紀(jì) 70 年代才出現(xiàn)。不過(guò)，許多生物陶瓷卻不是新材料。其中一種

8、最重要的是Al203- 許多傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)品的一項(xiàng)組成成分。如果一種接近惰性的材料被植入體內(nèi)將會(huì)引起一種保護(hù)反應(yīng)，這種反應(yīng)可引起非粘著性纖維層的包裹，厚度大約 1 微米。隨著時(shí)間流逝，將會(huì)以移植失敗告終。當(dāng)金屬和聚合物植入人體時(shí)也會(huì)發(fā)生類似反應(yīng)。但被植入人體內(nèi)時(shí)，具有生物活性的陶瓷將會(huì)以以下方式結(jié)合組織界面模仿人體自然修復(fù)過(guò)程。例如HA的生物活性陶瓷可以以（體相形式）或者復(fù)合物的組成成分抑或涂 層來(lái)使用。可被吸收的生物陶瓷，例如 TCP的確可以在身體內(nèi)溶解并被周?chē)M 織所取代。這是一項(xiàng)很重要的要求，當(dāng)然，可溶性產(chǎn)品必須是無(wú)毒的。以HA為例，TC叱常用作涂層而非體相形式，亦可以以粉體形式來(lái)使用，例如

9、填充在骨 內(nèi)空間中。生物陶瓷在臨床上已得到大量應(yīng)用。使用的范圍遍及全身，包括修復(fù)骨頭、 關(guān)節(jié)和牙齒。當(dāng)現(xiàn)有的機(jī)體部分發(fā)生病變、損壞或只是簡(jiǎn)單的磨損時(shí)，這些修 復(fù)就會(huì)變得很有必要。還有很多其他的生物陶瓷的應(yīng)用包括心臟瓣膜上的熱解 碳涂層和治療某些月中瘤具有特殊放射性的玻璃成分。陶瓷的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)選取作為特殊應(yīng)用的材料時(shí)我們必須作出選擇。材料選取在任何復(fù)合材料 設(shè)計(jì)加工過(guò)程中都是至關(guān)重要的，尤其對(duì)于用來(lái)移植和其他醫(yī)療器具來(lái)說(shuō)。我們能進(jìn)行承載應(yīng)用的三種主要材料是金屬，聚合物和陶瓷。陶瓷優(yōu)于其 他移植材料的地方在于陶瓷的生物兼容性。一些在生理環(huán)境中是惰性的，其他 的在身體內(nèi)卻能發(fā)生可控反應(yīng)。大多數(shù)陶瓷的

10、不利之處在于低硬度（影響其可 靠性），高的彈性模量（導(dǎo)致應(yīng)力屏蔽）。增加陶瓷硬度的一種主要方式為形成復(fù)合材料。陶瓷可以是增強(qiáng)相，或?yàn)?基體抑或兼具兩者。舉個(gè)聚合物的例子一一利用生物陶瓷進(jìn)行基體復(fù)合增強(qiáng)的 摻有HA顆粒增強(qiáng)項(xiàng)的PE復(fù)合材料的硬度比HA的高，彈性模量也更接近骨頭。 生物陶瓷也會(huì)用做金屬基片的涂層。不銹鋼生物活性玻璃涂層就是一個(gè)例子， 它主要是利用鋼的強(qiáng)度和韌性以及玻璃的表面活性特征。陶瓷移植對(duì)陶瓷移植的要求取決于它將在身體中扮演的角色。例如、全牌關(guān)節(jié)置換 術(shù)的要求和中耳移植的要求迥異。不過(guò)有兩個(gè)基本標(biāo)準(zhǔn)：（1）、陶瓷應(yīng)與生理環(huán)境相兼容；（2）力學(xué)性質(zhì)應(yīng)與被取代的組織相匹配。大多數(shù)陶

11、瓷移植跟骨頭有關(guān)。骨頭是由細(xì)胞和血液供給系統(tǒng)組成的活性材 料，由強(qiáng)度較好的復(fù)合結(jié)構(gòu)包裹。這種復(fù)合材料是由非常有彈性以及韌性的骨 膠原和與該羥基磷灰石極為相似的鈣磷灰石晶體組成的；與HA很相似，我們將會(huì)繼續(xù)生產(chǎn)（? ） o正是HA組分使得骨頭有了硬度。在骨膠原組織中這種針狀 的磷灰石晶體20-40nm長(zhǎng)，1.5-3nm寬。與生物陶瓷應(yīng)用有很大聯(lián)系的多種類型 的骨頭中的兩種是骨松質(zhì)（海綿骨）和骨皮質(zhì)（密質(zhì)骨）。骨松質(zhì)比骨皮質(zhì)密度低。骨骼的每一塊骨頭都是外層致密的骨皮質(zhì)（密質(zhì) 骨）覆蓋在海綿骨上組成的，以小到針孔的蜂窩狀或以被稱為骨小梁的平坦片 狀形式存在。因?yàn)楣撬少|(zhì)的密度較低，所以它的彈性模量比骨

12、皮質(zhì)低，斷裂應(yīng) 變率比骨皮質(zhì)高。兩種骨頭都比軟骨組織的彈性模量高，例如肌腱和韌帶。不 同類型的連接組織的彈性模量不同，這種不同能夠保證在骨、骨與骨之間以及 肌肉與骨之間存在一個(gè)機(jī)械應(yīng)力光滑梯度。植入體的力學(xué)性質(zhì)很明顯十分重要。如果植入體比它將要取代的骨的彈性 模量高，稱為應(yīng)力屏蔽的問(wèn)題接著就會(huì)發(fā)生。應(yīng)力屏蔽會(huì)削弱負(fù)載最低或者負(fù) 載壓縮區(qū)域的骨頭（骨頭必須負(fù)載拉伸應(yīng)力以保持健康）。骨頭在被卸載或者加 載壓力的時(shí)候會(huì)經(jīng)歷生物轉(zhuǎn)變引起骨吸收。利用降低彈性模量的方法來(lái)排除應(yīng) 力屏蔽是生物陶瓷復(fù)合材料發(fā)展的一個(gè)主要目的。氧化鋁和氧化培氧化鋁和氧化培是兩個(gè)惰性相近的生物陶瓷。長(zhǎng)期處于體液包圍中，他們 經(jīng)歷

13、很少的或者幾乎沒(méi)有化學(xué)轉(zhuǎn)變。高密度高純度的氧化鋁被大量的用于植入 物，特別是在需要承載壓力的牌關(guān)節(jié)修復(fù)和移植中。到 2006年，超過(guò)10A6牌 關(guān)節(jié)假體用氧化鋁球作為股骨頭替代品。盡管一些氧化鋁牙齒植入體是用單晶制成的，但大部分氧化鋁植入體是由 細(xì)品組成的多晶氧化鋁。通常情況下是在16001800度下通過(guò)壓縮燒結(jié)而成。少量氧化鎂（<0.5%）也被加入，抑制晶粒長(zhǎng)大，從而在無(wú)需高壓條件下便可以燒結(jié)得到高密度產(chǎn)品。任何移植材料打的一項(xiàng)重要要求就是它要比病人“活”的久。由于陶瓷失效的概率本質(zhì)問(wèn)題，對(duì)每個(gè)植入體來(lái)說(shuō)，不可能提供具體的絕對(duì)的預(yù)測(cè)使用期限。研究表明，可能像你期待的那樣，負(fù)荷的增加以及

14、時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)增加失效的概率。老化和疲勞的研究結(jié)果表明，氧化鋁植入物要具有可能最高標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量保障，尤其是它們用于年輕患者的矯正假肢上。盡管氧化鋁陶瓷結(jié)合了優(yōu)秀的生物兼容性和杰出的抗磨損能力，但它僅有一般的抗彎強(qiáng)度和較低的硬度。這將移植（用來(lái)替換的）髖關(guān)節(jié)的直徑限制在32mm以下，氧化培有較高的斷裂強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度，且比氧化鋁陶瓷的彈性模量低。不過(guò)這與ZrO2 有關(guān) :<1> 浸沒(méi)在體液中時(shí)，氧化鋯的抗彎強(qiáng)度和硬度稍稍降低，原因與從正方晶系到單斜晶系相發(fā)生的馬氏體轉(zhuǎn)變有關(guān)。人們已經(jīng)觀察到在非水溶劑中的相似的轉(zhuǎn)變；<2>氧化鋯的抗磨損能比氧化鋁查，在陶瓷或陶瓷復(fù)合材料中，氧化鋯

15、的磨損率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氧化鋁的磨損率，與超高分子量聚乙烯結(jié)合的聚合物的過(guò)度磨損也會(huì)發(fā)生;<3> 氧化鋯也許會(huì)少量富集半衰期較長(zhǎng)的例如 Th 和 U 的放射性元素，分離這些元素的技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)，代價(jià)高昂。主要關(guān)心的在于它們會(huì)釋放a粒子，可以對(duì)身體軟硬組織造成毀滅性打擊。這里有 許多關(guān)于氧化培陶瓷a輻射排放的長(zhǎng)期效應(yīng)問(wèn)題，盡管這種作用很小。13 聚合物的介紹聚合物是由重復(fù)的結(jié)構(gòu)單元通過(guò)化學(xué)鍵連接在一起組成的大分子。這個(gè)單詞由希臘字母“”衍生出來(lái)。 Poly 的意思是很多， meros 表示部分的。聚合物眾所周知的包括塑料、DN舟口蛋白質(zhì)。舉個(gè)例子，聚丙烯的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元如下所示：零零圈圈窟窿窟窿

16、洞聚合物的俗名叫做塑料，這個(gè)詞指的是一大類具有許多性質(zhì)和用途的天然材料和合成材料。天然聚合物材料例如蟲(chóng)漆和琥珀，已經(jīng)使用幾個(gè)世紀(jì)了、生物高分子例如蛋白質(zhì)和核酸在生命活動(dòng)中起著至關(guān)重要的作用。聚合物的研究領(lǐng)域涉及聚合物化學(xué)、聚合物物理和聚合物科學(xué)。歷史進(jìn)展始于 1811 年， Henri Braconnot 在纖維素衍生出的化合物做的開(kāi)創(chuàng)性工作可能是高分子科學(xué)最早的重要貢獻(xiàn)。 術(shù)語(yǔ) “polymer” 由 Joris ， Jakob， Berzelius在 1833 年首次提出。 19 世紀(jì)后期橡膠硫化上取得的進(jìn)展提高了天然聚合物橡膠的耐磨性，也標(biāo)志著半合成聚合物的首次通用。 1907 年， L

17、eo Baekeland 通過(guò)精確控制溫度和壓力使苯酚和甲醛發(fā)生反應(yīng)，首次得到了全合成聚合物酚醛樹(shù)脂（電木） ，并與 1909 年公諸于眾。盡管對(duì)聚合物的合成與表征取得了巨大的進(jìn)展， 但是直到 20 世紀(jì) 20 年代，對(duì)聚合物分子的結(jié)構(gòu)的正確理解初見(jiàn)端倪。而在此之前，科學(xué)家一直相信聚合物只是小分子團(tuán)聚在一起（稱為膠質(zhì)） ，并沒(méi)有固定的分子量，被一種未知的力結(jié)合在一起，也就是所謂的關(guān)聯(lián)理論。 1922 年， HermannStaudinger 提出聚合物是由共價(jià)鍵結(jié)合在一起組成的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，在十?dāng)?shù)年間這個(gè)想法并沒(méi)有被廣泛接受，但也因?yàn)樗南敕⊿taudinger 最終被授予諾貝爾獎(jiǎng)。 Wal

18、laceCarothers 在20世紀(jì) 20年代的工作中也闡述了聚合物通過(guò)定向方式從他們的構(gòu)成單體合成而來(lái)。對(duì)于聚合物科學(xué)的一項(xiàng)重要貢獻(xiàn)是由在Ziegler-Natta 催化劑取得重大進(jìn)展而獲得1963 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的意大利化學(xué)家GIulio Natta 和德國(guó)化學(xué)家Karl-Ziegler 做出的。在本世紀(jì)末期，諸如尼龍、聚乙烯、特氟?。ň鬯姆蚁┖凸铇?shù)脂等合成聚合物材料是聚合物工業(yè)萌芽的基礎(chǔ)。這些年在定向合成聚合物的工作上業(yè)已取得了重大的進(jìn)步?，F(xiàn)在商業(yè)上重要的聚合物基本都是利用有機(jī)合成技術(shù)進(jìn)行全合成并大量生產(chǎn)。聚合物的合成聚合物的合成是一個(gè)把叫做單體的小分子通過(guò)共價(jià)鍵的結(jié)合形成鏈的過(guò)程

19、。在聚合過(guò)程中，一些化學(xué)基團(tuán)會(huì)會(huì)從每個(gè)單體上脫去。參與形成聚合物不同片段的各單體叫做重復(fù)單元或者單體殘基。實(shí)驗(yàn)室合成： 實(shí)驗(yàn)室合成方法一般分為兩類：縮聚和加聚。當(dāng)然，一些新方法例如等離子聚合不分屬其中任何一類。合成聚合物的反應(yīng)可能也有催化劑的參與。利用實(shí)驗(yàn)室合成方法進(jìn)行生物大分子的定向合成，尤其是人工合成蛋白質(zhì)，是一個(gè)很熱門(mén)的研究方向。生物合成：生物大分子主要有3 個(gè)分類：聚糖、聚縮氨酸、聚核苷酸。在活細(xì)胞中可以通過(guò)酶促反應(yīng)過(guò)程將他們合成出來(lái)。例如，DNA勺行程就是由DNA聚合酶催化得到的。蛋白質(zhì)的合成涉及轉(zhuǎn)錄來(lái)自DNA和持續(xù)翻譯將氨基酸合成特定蛋白質(zhì)的信息的多種酶促反應(yīng)過(guò)程。蛋白質(zhì)在翻譯之后

20、會(huì)進(jìn)一步得到修飾以使其具有適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)和功能。天然聚合物的改性很多商業(yè)上重要的聚合物都是通過(guò)天然存在的聚合物進(jìn)行修飾合成而來(lái)。代表例子包括硝酸和纖維素形成硝酸纖維的反應(yīng)和用存在的硫?qū)μ烊幌鹉z加熱而得到的硫化橡膠。聚合物結(jié)構(gòu)聚合物的結(jié)構(gòu)性質(zhì)與沿著主鏈上單體殘基的排布息息相關(guān)。結(jié)構(gòu)對(duì)聚合物的其它性質(zhì)有很大程度上的影響。舉個(gè)例子，線性鏈狀聚合物是否溶于水取決于它的單體是極性的 （例如環(huán)氧乙烷） 還是非極性的 （例如苯乙烯） 。另一方面，盡管天然橡膠的兩個(gè)樣品可以是由相同的單體組成，但是它們也可以展示出不同的性質(zhì)。聚合物科學(xué)家已經(jīng)提出相應(yīng)的術(shù)語(yǔ)來(lái)精確描述單體的特征（ nature ？）和它們的相關(guān)排布。

21、單體特性（ identity ） ：一般來(lái)說(shuō)，組成聚合物單體的特性是聚合物第一位也是最重要的屬性。重復(fù)單元也就是聚合物重復(fù)排列的單元，也是聚合物最明顯的特征。聚合物的命名一般是基于組成聚合物單體的類型來(lái)說(shuō)的。只包含一種單體的聚合物即為所熟知的均聚物，由多種單體組成的稱為共聚物。舉個(gè)例子，聚苯乙烯，僅有苯乙烯單體組成，所以歸類為是聚物；乙烯基醋酸纖維包含多種單體，所以是一個(gè)共聚物。某些生物聚合物是由一系列不同的但是結(jié)構(gòu)上相聯(lián)系的單體，例如，聚核苷酸是核苷酸組成的。一個(gè)常見(jiàn)的錯(cuò)誤就是用單體來(lái)代替指聚合物的重復(fù)單元。事實(shí)上，兩者是不同的。單體是將被用來(lái)作為聚合反應(yīng)開(kāi)始的穩(wěn)定分子。然后單體至少脫去兩個(gè)

22、化學(xué)基團(tuán)形成重復(fù)單元。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子聚乙烯，單體是乙烯分子，重復(fù)單C-C-。包含離子單元的聚合物也叫做聚合電解質(zhì)。離子交聯(lián)聚合物是聚合電解質(zhì)的一個(gè)子集，占據(jù)其中的一小部分。 （？）鏈的線性： 聚合物鏈的直觀線性形貌是在液體介質(zhì)表面用原子力顯微鏡（AFM觀察到的。最簡(jiǎn)單的聚合物的形式是一條直鏈或稱之為線性聚合物，僅有一條主鏈組成。無(wú)支鏈的聚合物的柔順性是由它的持久長(zhǎng)度來(lái)表征的。支鏈聚合物分子是由一條主鏈和一個(gè)或者多個(gè)側(cè)鏈或者分支構(gòu)成。支鏈聚合物的典型例子包括星型聚合物、梳形聚合物和刷狀聚合物。如果聚合物包含有一條與主鏈的組成和構(gòu)型不同的側(cè)鏈，稱之為接枝聚合物。交叉結(jié)合的聚合物表明聚合物是從一個(gè)節(jié)

23、點(diǎn)向四個(gè)或者更多的方向呈放射狀分布。具有高交聯(lián)度的聚合物分子能夠形成聚合物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。足夠高的交聯(lián)度也會(huì)形成“無(wú)線網(wǎng)絡(luò)” ，即為“凝膠” 。鏈的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)無(wú)限延伸，所以有的鏈交聯(lián)成一個(gè)大分子。鏈長(zhǎng)：聚合物本體性質(zhì)很大程度上依賴于其鏈的尺寸。與任何分子一樣，一個(gè)聚合物分子的大小可以用分子量或者分子質(zhì)量來(lái)描述。聚合物的分子質(zhì)量可以用聚合度來(lái)表示，本質(zhì)上就是組成聚合物單體的數(shù)目。對(duì)于合成聚合物來(lái)說(shuō)，分子量是由對(duì)樣品中分子量的統(tǒng)計(jì)來(lái)描述的。因?yàn)槭聦?shí)上，工業(yè)合成過(guò)程并不會(huì)得到單一尺寸鏈的聚合物。統(tǒng)計(jì)的例子包括數(shù)均分子量和重均分子量。比值為分子量分布指數(shù)（多分散系數(shù)） 。一般用描述分子量分布的“寬度” 。聚

24、合物鏈的最大長(zhǎng)度是伸直長(zhǎng)度。14 軟質(zhì)材料 ：聚合物和塑料很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)人們把天然形成的聚合物，例如羊毛、皮革、絲和天然橡膠加工成為有用的材料。在過(guò)去的 70 年左右，化學(xué)家開(kāi)始通過(guò)控制化學(xué)反應(yīng)使單體聚合，從而形成聚合物。大量合成的聚合物具有-C-C- 骨架，這是因?yàn)樘荚泳哂信c其它原子更強(qiáng)跟穩(wěn)定鍵的優(yōu)異性能。塑料是一種通常經(jīng)過(guò)熱壓處理后可以被塑成各種形狀的材料。熱塑性材料是一類（加熱固化冷卻后）可以被再次加工成型的。舉個(gè)例子，塑料牛奶容器是由一被稱為聚乙烯的聚合物材料制成的，該聚合物具有很高的分子質(zhì)量。這些容器可以被融化，得到的聚合物還可以經(jīng)循環(huán)為其它所用。相反，熱固性材料是通過(guò)不可逆化學(xué)過(guò)程

25、形成的，因此不能被再次加工成型。高彈體是一類表現(xiàn)出橡膠或彈性行為的材料。假如沒(méi)有超過(guò)彈性限度，拉伸或者彎曲，撤除變形力后它依舊可以回來(lái)原來(lái)的形狀。一些聚合物，例如尼龍和聚酯，可以加工成纖維，就像毛發(fā)一樣，相對(duì)于它們的橫截面積而言非常長(zhǎng)，這一特點(diǎn)與彈性無(wú)關(guān)。這些纖維可以被編織成纖維織物或繩索，亦可以做成衣服、輪胎簾布（簾子線）或者其他有用的物件。合成（制造）聚合物聚合物反應(yīng)最簡(jiǎn)單的離子是由乙烯分子到聚乙烯的形成。在這個(gè)反應(yīng)過(guò)程中，每個(gè)乙烯分子中的雙鍵打開(kāi)，來(lái)自這個(gè)鍵中的兩個(gè)電子被用來(lái)與其他兩個(gè)乙烯分子形成新的 -C-C- 單鍵。通過(guò)重鍵使原子結(jié)合而發(fā)生的聚合作用叫做加聚反應(yīng)。我們可以寫(xiě)出如下的聚

26、合反應(yīng)方程：失敗 +男生=成功這里 n 代表著較大的數(shù)字參與形成一個(gè)大的聚合物分子的從幾百到幾千的單體分子（這里指乙烯）數(shù)目。在一個(gè)聚合物中，重復(fù)單元（上面方程括號(hào)中顯示的單元）在整條鏈中出現(xiàn)。鏈端以 C-H 鍵作尾，因此鏈端碳原子有四個(gè)鍵。聚乙烯是一種很重要的材料。在美國(guó)每年有超過(guò)200 億磅的聚乙烯被生產(chǎn)出來(lái)。 盡管組成簡(jiǎn)單， 但這種聚合物卻不容易制得。 只有在多年的研究之后 （齊格勒 - 納塔） ，人們才獲得了適當(dāng)?shù)臈l件來(lái)制造商業(yè)上廣泛應(yīng)用的聚合物。另一類用來(lái)合成商業(yè)上重要的聚合物通用的一般反應(yīng)時(shí)縮聚反應(yīng)。在縮聚反應(yīng)中，兩個(gè)分子通過(guò)消去一個(gè)例如水的小分子形成一個(gè)大分子。舉個(gè)例子，伴隨著水

27、的形成，胺（一種含有-NH2基團(tuán)的化合物）會(huì)和竣酸（含有-COOH基 團(tuán)的化合物）反應(yīng)在N和C之間形成單鍵。在很多尼龍的形成中，在每端都有一個(gè)-NH2 基團(tuán)的化合物二元胺會(huì)和每段都有一個(gè)-COOHK團(tuán)的二元酸發(fā)生反應(yīng)。例如尼龍-66就是由每端有一個(gè)氨基的含 6 個(gè)碳原子的二元胺和也含有6 個(gè)碳原子的脂肪酸反應(yīng)得到的。縮聚反應(yīng)在二元胺和酸的末端發(fā)生?；衔锼懦?，N-C鍵在分子之間形成。僅僅通過(guò)一種分子得到縮聚產(chǎn)物是否也有可能呢？聚合物的結(jié)構(gòu)與物理性質(zhì)所給出的聚乙烯和其他聚合物的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)式并不是真實(shí)的反映。因?yàn)榫垡蚁┲忻總€(gè)碳原子被其他四個(gè)鍵所包圍。原子以四面體形式排布，因此鍵是不直的。而且，原子

28、可以繞著C-C 單鍵進(jìn)行相對(duì)自由的轉(zhuǎn)動(dòng)，并非直而僵硬，鏈?zhǔn)蔷哂腥犴槪g）性的，而且易折疊。分子鏈的柔順（韌）性引起整個(gè)聚合物非常柔順（韌）性。合成和天然形成的聚合物都是由不同分子質(zhì)量的大分子集合形成的。分子質(zhì)量取決于形成條件，因此分子質(zhì)量在平均值附近可能分布很寬或者很窄。這種分布部分因?yàn)榫酆衔镌诤艽蟪潭壬鲜菬o(wú)定型（非晶）材料。它們?cè)谝欢囟确秶鷥?nèi)軟化，這與完美晶體相具有非常明確的熔點(diǎn)不同。聚合物的主鏈旁有側(cè)鏈，這些側(cè)鏈阻礙結(jié)晶區(qū)的形成，降低材料的密度。高密度聚乙烯用來(lái)制作瓶子，鼓和管道。這種形式支鏈少，因此結(jié)晶度相對(duì)較高。聚乙烯可以通過(guò)改變鏈長(zhǎng)度、結(jié)晶度和支鏈數(shù)使其性質(zhì)得到調(diào)整，做成通用材料。

29、我們可以在聚合物中加入各種不同的化合物，使聚合物具有抗日照和抗氧化降解的性質(zhì)。材料的物理性質(zhì)也可以通過(guò)加入較低分子質(zhì)量的物質(zhì)，塑化劑，進(jìn)行很大程度上的改性，以降低鏈間相互作用的程度，使其更加柔順（韌） 。例如，聚氯乙烯，分子質(zhì)量大，為硬質(zhì)堅(jiān)固材料，被用作家用排水管。當(dāng)它與合適的低分子質(zhì)量物質(zhì)等混合后，就能形成柔順（韌）性的聚合物，這種聚合物可用來(lái)制造雨靴和玩偶的零部件。在一些應(yīng)用中，由于蒸發(fā)，在塑制品中的塑化劑會(huì)隨著時(shí)間消失。當(dāng)這種情況發(fā)生后，塑料失去柔順（韌）性而易于開(kāi)裂。通過(guò)在聚合物鏈之間引入化學(xué)鍵，聚合物可以變得更加堅(jiān)固。在鏈間形成鍵稱之為交聯(lián)。聚合物中的交聯(lián)數(shù)目越大，材料就會(huì)越堅(jiān)硬。熱

30、塑性聚合物是由獨(dú)立聚合物鏈組成的，熱固性聚合物在加熱之后變成交聯(lián)，也正是交聯(lián)才使它們維持固定的形狀。Charles Goodyear 在 1839交聯(lián)的一個(gè)重要例子是天然橡膠的硫化，是由年發(fā)現(xiàn)的一種加工工藝。天然橡膠是由源于巴西橡膠樹(shù)的樹(shù)皮上的液體樹(shù)脂形成的?；瘜W(xué)上來(lái)講，它是異戊二烯的聚合物。由于碳碳雙鍵的旋轉(zhuǎn)不易發(fā)生，與碳原子相連的基團(tuán)的取向固定不變。在天然形成的橡膠中，鏈擴(kuò)展發(fā)生在雙鍵的同一側(cè)。天然橡膠不是一種有用的聚合物，因?yàn)樗?，并且太容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。Goodyear偶然發(fā)現(xiàn)把硫磺加到橡膠中然后加熱混合物會(huì)使橡膠堅(jiān)固，而且降低其對(duì)氧化和化學(xué)侵蝕的敏感性。雙鍵的5%左右的交聯(lián)度會(huì)得到

31、柔順（韌） 、有彈性的橡膠。當(dāng)橡膠被拉伸時(shí)，交聯(lián)會(huì)使鏈免于滑移，因此，橡膠會(huì)保持彈性。15用于食品包裝的生物降解聚合目前全球塑料的消費(fèi)超過(guò)2 億公噸，并且每年大約以5%的速度增加，這代表著原油的最大應(yīng)用領(lǐng)域。它重點(diǎn)表明塑料工業(yè)是多么地依賴原油，也正是如此，日益增長(zhǎng)的原油和天然氣的價(jià)格將對(duì)塑料市場(chǎng)帶來(lái)難以預(yù)知的沖擊。利用可替代原材料正變得越來(lái)越重要。由于它們的價(jià)格低和很好的力學(xué)性能，例如抗拉和撕裂強(qiáng)度，對(duì)氧、二氧化碳、酐和芳香族化合物的阻礙性和熱密封性等，（但是由于科技的限制）直到現(xiàn)在以石化產(chǎn)品為基礎(chǔ)的塑料諸如：PET、 PVC、PP、PS和PA等才作為包裝材料得到廣泛應(yīng)用。塑料包裝材料經(jīng)常被食

32、品和生物 物質(zhì)污染，因此回收利用這些材料是不可行的，大多數(shù)情況經(jīng)濟(jì)上也不劃算。日趨廣泛的環(huán)保認(rèn)識(shí)把好用和環(huán)保這兩個(gè)屬性強(qiáng)加到包裝薄膜和加工過(guò)程中。我們可以得到這樣的一個(gè)結(jié)論。生物降解能力不僅是一項(xiàng)功能要求，也是一個(gè)重要的環(huán)境需要屬性（特點(diǎn)） 。對(duì)生物降解材料來(lái)說(shuō)，堆肥能力也很重要。因?yàn)榛厥盏拇鷥r(jià)高昂，堆肥能力會(huì)允許包裝材料在土壤里自行降解。通過(guò)生物降解，它只生成水、二氧化碳和無(wú)機(jī)化合物，而沒(méi)有殘毒。用可再生原料生產(chǎn)的生物聚合物必須可被降解，尤其是堆肥能力，這樣它們可以作為肥料和土壤調(diào)節(jié)劑。但是基于可再生原料制成的塑料不必具有生物降解性和堆肥能力；另外，生物塑料材料也不必基于可再生原料，因?yàn)樯?/p>

33、降解能力與與材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，而不是原材料。特別要說(shuō)的是：化學(xué)鍵的類型決定著細(xì)菌是否能夠降解材料以及什么時(shí)候降解。幾個(gè)（天然）合成的聚合物具有生物降解性以及堆肥能力，例如淀粉、纖維素和木質(zhì)素，這些是天然碳基聚合物。反之亦然，基于天然單體的相同原生質(zhì)體，通過(guò)像聚合反應(yīng)這樣的化學(xué)改性，可能會(huì)失去生物降解性質(zhì)，舉個(gè)例子，通過(guò)聚合反應(yīng)由油酸單體得到的尼龍 9 型聚合物或者經(jīng)聚合反應(yīng)由蓖麻油單體得到的聚酰胺11 型聚合物。塑料是以聚合物為基體和其它像添加劑、穩(wěn)定劑、著色劑、加工助劑類化學(xué)物質(zhì)組成的復(fù)合物。它的數(shù)量與類型從一個(gè)聚合物向另一個(gè)變化，因?yàn)槊看巫罱K產(chǎn)物都必須根據(jù)它的加工過(guò)程和將來(lái)的應(yīng)用而達(dá)

34、到最佳化。因?yàn)檫@些原因，在不久的將來(lái)，由100%的可再生原料生產(chǎn)產(chǎn)品是可能的，而且趨勢(shì)正是盡可能利用最高比例的可再生原料。生物塑料， （在某種程度上）就像塑料，代表著一個(gè)很大的應(yīng)用范圍像堆肥收集袋、農(nóng)業(yè)箔、園藝學(xué)應(yīng)用、托兒所用品、玩具、纖維、織物等等。其他領(lǐng)域如包裝和技術(shù)應(yīng)用也正愈加重要。食品包裝應(yīng)用的生物塑料材料的期望性能為包裝食品、使其與環(huán)境隔離，保持食品質(zhì)量。顯而易見(jiàn)，對(duì)其力學(xué)性質(zhì)和阻隔性能進(jìn)行改性來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能要求很重要，這最終還是要取決于聚合物包裝材料的結(jié)構(gòu).從我們的觀點(diǎn)來(lái)看，重要的是不僅要根據(jù)人物來(lái)理解這些材料的物理和力學(xué)性質(zhì)，而且還要理解其與食物的兼容性，這在食品質(zhì)量性質(zhì)中作為潛在

35、的資源已為人們所熟知。化學(xué)降解生物塑料的目標(biāo)是為了例模仿生物的生存周期，包括節(jié)約石化資源、水和二氧化碳產(chǎn)品，正如圖 4-5 所示：圖 片兒以聚合物為基體的產(chǎn)品要求在一個(gè)可控的方式下進(jìn)行生物降解。天然聚合物（像橡膠、木質(zhì)素和腐殖質(zhì)）和像聚烯烴的合成聚合物生物降解，不能滿足通用的生物降解對(duì)迅速礦化作用標(biāo)準(zhǔn)的要求。在羧酸、醇、醛、酮的含氧生物降解過(guò)程，由水和熱引發(fā)的過(guò)氧化反應(yīng)可以使之降解成低摩爾質(zhì)量的物質(zhì)，這就是碳?xì)渚酆衔锪W(xué)性能降低的主要原因。 （細(xì)菌、真菌和酶的生物同化作用可以減少單位面積的生物的數(shù)量和二氧化碳的含量，并最終形成腐殖質(zhì)）一般來(lái)說(shuō)，合成聚合物包含加到聚合物中的抗氧化劑和穩(wěn)定劑，借以

36、使聚合物抵抗加工過(guò)程中的力學(xué)氧化和提供要求的保質(zhì)期。因此，一方面，為改變這些材料的力學(xué)性能加入抗氧化劑是有必要的；另一方面，對(duì)生物降解過(guò)程來(lái)說(shuō)，聚合過(guò)程中最好不要加入這些。由于聚烯烴結(jié)合了柔性、韌性、優(yōu)秀的阻隔性質(zhì)，且所有的聚烯烴均由低價(jià)值的油分離產(chǎn)物制得，使其在包裝領(lǐng)域中居于中心地位，這也讓它們作為生物降解聚合研究的一項(xiàng)基本選擇。合成和天然聚合物的光譜性質(zhì)截然不同。聚烯烴是憎水的碳?xì)渚酆衔?，抗過(guò)氧化，難以生物降解和水解。這也是它們作為包裝材料的主要屬性不可生物降解。為了使其能進(jìn)行生物降解，有必要引入能夠提升其氧化 - 生物降解的氧化強(qiáng)化劑。這樣微生物可以通過(guò)同化作用產(chǎn)生小分子量的氧化物。纖維

37、素，淀粉等天然聚合物是親水性聚合物，是水可濕的或可溶脹的，因此是生物所能降解的。在對(duì)防水有要求的地方，這種包裝材料是無(wú)用的。用持久耐用的聚合物做短期使用的包裝材料并不合理，另外也是因?yàn)榘b材料被食物污染后再進(jìn)行物理回收是不切實(shí)際的。大部分商業(yè)化的生物高聚物材料是可被生物所降解的，當(dāng)然這與材料所處條件如溫度和相對(duì)濕度有很大關(guān)系。16 復(fù)合材料的介紹復(fù)合材料通常定義為由兩種或多種不同的物質(zhì)結(jié)合在一起所構(gòu)成的具備任何一種組分單獨(dú)存在時(shí)都不擁有的某些性能的新材料，而這種新型材料又保留了各組分原來(lái)所特有的性能。由這個(gè)定義我們可以知道，很大范圍內(nèi)的工程材料都屬于這個(gè)種類。舉個(gè)例子，多相金屬在微觀尺度上是復(fù)

38、合材料。但一般意義上的“復(fù)合材料”是指通過(guò)鍵的作用使兩種或者多種不同的材料結(jié)合在一起的材料。得到的材料有獨(dú)立組分中不具備的性能。復(fù)合材料的概念由來(lái)已久，一個(gè)簡(jiǎn)單的例子就是把秸稈加入到泥土中做成堅(jiān)固的土墻。最常見(jiàn)的是：復(fù)合材料有個(gè)連續(xù)的叫基體的本體相，還有一個(gè)分散的非連續(xù)的叫做增強(qiáng)相。一些基本復(fù)合材料的其他例子如：混凝土（水泥和沙子的結(jié)合體） ，增強(qiáng)混凝土（鋼筋混凝土）和纖維玻璃（玻璃絲加入到樹(shù)脂基體中） 。大約 20 世紀(jì) 60 年代一組稱之為“高級(jí)工程復(fù)合材料” （簡(jiǎn)稱先進(jìn)復(fù)合材料）的復(fù)合物出現(xiàn)。先進(jìn)材料為采用了樹(shù)脂與纖維結(jié)合的復(fù)合材料，一般為碳/石墨，凱芙拉或玻璃纖維與環(huán)氧樹(shù)脂的復(fù)合材料。

39、纖維具有高的硬度，而將其包圍著的聚合物樹(shù)脂基體能保持復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料的基本設(shè)計(jì)概念是由本體相來(lái)承載覆于其表面上的大量負(fù)荷，然后將其轉(zhuǎn)移到能夠承載更多負(fù)荷的增強(qiáng)相材料上。其意義在于許許多多的基質(zhì)材料和纖維規(guī)格，可以以難以數(shù)計(jì)的方法相結(jié)合，并產(chǎn)生期望的性能。這些材料首先被研發(fā)用于航天航空工業(yè)，因?yàn)橹挥惺顾鼈儽燃兘饘倬哂休^高的硬度和重量或者強(qiáng)度重量比才能得到應(yīng)用。這意味著金屬部分可以由先進(jìn)復(fù)合材料人工制得較輕的部分來(lái)取代。一般來(lái)說(shuō)， 碳- 環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合物的重量是鋁的 2/3, 硬度確是其2.5 倍。 復(fù)合材料可以抵抗疲勞破壞和惡劣的環(huán)境，且具有可修復(fù)性。微觀尺度上滿足通過(guò)鍵結(jié)合的標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)合材

40、料也能被生產(chǎn)出來(lái)。在鈷粉末中加入碳化物粉末，然后加壓燒結(jié)成型，碳化鎢保留其原有性能。得到的材料是以鈷為基體，其中含有碳化鎢顆粒。這種材料被用來(lái)作鉆孔機(jī)，材料被稱為金屬基復(fù)合材料。金屬基復(fù)合材料是這樣的一類材料金屬材料由另一種材料來(lái)增強(qiáng)，借以提高其強(qiáng)度、抗磨損和其它的一些性質(zhì)。一般來(lái)說(shuō)復(fù)合材料有兩個(gè)相。增強(qiáng)相是沉積在金屬基體上的纖維、片材或粒子。增強(qiáng)材料和基體材料可以使金屬、陶瓷或者聚合物。典型的為增強(qiáng)材料密度低，強(qiáng)度高，而基體材料通常為易延展或者硬質(zhì)材料。復(fù)合材料的一些常見(jiàn)分類如下1 增強(qiáng)材料；2 金屬基復(fù)合材料；3 陶瓷基復(fù)合材料；4 三明治結(jié)構(gòu)；5 混凝土。復(fù)合材料能夠以很多形式呈現(xiàn)，不過(guò)

41、基于其強(qiáng)化機(jī)理一般將其分為三類。這些類別為彌散強(qiáng)化、粒子強(qiáng)化和纖維強(qiáng)化。彌散增強(qiáng)復(fù)合材料是指在金屬集體上第二相粒子有很好的分布。這些例子阻礙材料的變形（材料變形的機(jī)理包括位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和滑移，稍后將進(jìn)行討論） 。很多金屬基復(fù)合材料都可以歸入彌散強(qiáng)化復(fù)合材料這一類別中。粒子強(qiáng)化復(fù)合材料是指占有很大體積分?jǐn)?shù)的粒子分散在基體中，負(fù)荷由和基體共同承載。大多數(shù)商業(yè)陶瓷和很多填充型聚合物是粒子強(qiáng)化復(fù)合材料。在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，纖維是基體的承載部分，纖維玻璃和碳纖維復(fù)合物是纖維強(qiáng)化復(fù)合材料的粒子。如果復(fù)合材料設(shè)計(jì)和制備合理的話，復(fù)合材料就會(huì)既具有增強(qiáng)相的強(qiáng)度又具有基體的韌性從而得到了性能的理想結(jié)合，這是任何一

42、種組分單獨(dú)存在是所不具備的性能。一些復(fù)合材料也具有可被剪切的優(yōu)勢(shì)，因此一些像強(qiáng)度和剛度的性質(zhì)可以通過(guò)改變?cè)鰪?qiáng)材料的總量或位向而輕易改變。不利的是這樣的復(fù)合材料要比傳統(tǒng)材料要昂貴。17復(fù)合材料的性質(zhì)般來(lái)說(shuō)，復(fù)合材料的物理性質(zhì)并非各向同性（受力方向上的獨(dú)立性）而是呈典型的各向異性（因受力方向不同而不同） 。舉個(gè)例子，復(fù)合嵌板的剛度通常取決于受力方向或受力部分的位向。嵌板硬度也取決于其設(shè)計(jì)。例如：所使用的纖維增強(qiáng)相和基體相，嵌板制造的方法，熱固性與熱塑性、編排方式及纖維軸所受主要力的方向。相反，各向同性材料（例如鋁和鋼）在標(biāo)準(zhǔn)鑄造過(guò)程中具有相同的硬度，而不受作用力或力矩的影響。對(duì)于各向同性材料來(lái)說(shuō)，

43、受力和應(yīng)變之間的關(guān)系可以用以下材料的性質(zhì)來(lái)描述：楊氏模量、剪切模量和泊松比這些相對(duì)來(lái)說(shuō)較簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)關(guān)系。就各向異性材料來(lái)說(shuō)，它涉及數(shù)學(xué)中的二階常量，并且有多達(dá)21 種材料性能參數(shù)。特別要說(shuō)的是正交各向同性。對(duì)于楊氏模量，剪切模量和泊松比，每個(gè)都有三個(gè)值共有 9 個(gè)常量來(lái)描述受力與應(yīng)變之間的關(guān)系。復(fù)合材料的失效振動(dòng)、碰撞或者重復(fù)的周期應(yīng)力均可以導(dǎo)致層狀材料在兩層之間的界面上發(fā)生分離，這種情形稱為分離成層。獨(dú)立的纖維可以從基體種分離出來(lái)（纖維剝離） 。在微觀或者宏觀尺度上復(fù)合材料都會(huì)失效。在宏觀尺度或者在壓縮失效都會(huì)變形。拉變失效可以是局部的網(wǎng)狀區(qū)域失效或者微觀尺度上復(fù)合材料的一個(gè)或者多個(gè)片層由于

44、基體拉伸失效而發(fā)生降解或者基體與纖維之間鍵的斷裂。一些復(fù)合材料很脆，失效幾乎沒(méi)有殘余應(yīng)力，其它的卻能遭受有較大的變形和保有吸收能量的能力。纖維和基體的變化可見(jiàn)?；旌衔锟梢酝ㄟ^(guò)摻雜獲得，并且其性質(zhì)變化范圍廣，可被設(shè)計(jì)成復(fù)合結(jié)構(gòu)。眾所周知，哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)的機(jī)翼是碳- 纖維，升空的時(shí)候受到撞擊破損，終于釀成了在它于 2003 年 2月 1 號(hào)返回大氣層時(shí)飛行器解體的災(zāi)難性后果。復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)為什么使用復(fù)合材料呢，復(fù)合材料最大的優(yōu)勢(shì)在于其將質(zhì)輕、高強(qiáng)度和剛度完美結(jié)合起來(lái)。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)和基體材料結(jié)合，生產(chǎn)者就可以制造出極其滿足為某些特殊目的所需要特定結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)代航空技術(shù)，包括軍用和民用都是

45、最好的例子。如果沒(méi)有復(fù)合材料，效率就會(huì)大打折扣。事實(shí)上，工業(yè)上對(duì)材料既要輕又要具有很好的強(qiáng)度的要求是復(fù)合材料發(fā)展的主要推動(dòng)力。用先進(jìn)復(fù)合材料去做機(jī)翼、尾翼、螺旋槳、水平懸疑葉片已經(jīng)很常見(jiàn)，而且很多內(nèi)部結(jié)構(gòu)和裝置也是這樣。一些小型航空器的整個(gè)機(jī)體是由復(fù)合材料制成的；對(duì)于大型商業(yè)航空器，其機(jī)翼尾翼和主板也主要是由復(fù)合材料構(gòu)成。想到飛機(jī)，制得注意的是復(fù)合材料不像金屬（如鋁）那樣在壓力作用下會(huì)完全解體。一塊金屬上的裂紋可能會(huì)迅速蔓延，并帶來(lái)嚴(yán)重的后果（尤其一旦發(fā)生在航空器上） 。復(fù)合材料的纖維可以阻止小裂縫的擴(kuò)散，并且可以分擔(dān)周?chē)鷳?yīng)力。好的復(fù)合材料應(yīng)具有好的穩(wěn)定性和抗腐蝕性，這使得他們成為處于極端環(huán)

46、境中的理想材料，如船舶、化學(xué)處理器和航空器。通俗地說(shuō)，復(fù)合材料是相當(dāng) 耐用的。復(fù)合材料的另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)是他們可以具有設(shè)計(jì)的柔順性。復(fù)合材料可以被設(shè) 計(jì)成復(fù)雜的形狀沖浪板或者船體外殼。復(fù)合材料的劣勢(shì)是其價(jià)格，雖然使用復(fù)合材料時(shí)加工過(guò)程會(huì)很高效，但原 材料卻很昂貴。盡管復(fù)合材料不可能完全替代傳統(tǒng)材料，例如鋼鐵。但在許多 情況下，復(fù)合材料是我們所需要的。毫無(wú)疑問(wèn)，隨著技術(shù)革命，新應(yīng)用也會(huì)被 發(fā)現(xiàn)。我們已經(jīng)見(jiàn)證復(fù)合材料可以做到。18聚合物納米科技-納米復(fù)合材料基于納米復(fù)合材料的聚合物基體在最近所有技術(shù)科學(xué)的研究與發(fā)展中，納米技術(shù)領(lǐng)域是最熱門(mén)的領(lǐng)域之一。很明顯這包括聚合物科學(xué)與技術(shù)，甚至在這個(gè)領(lǐng)域的研究還覆

47、蓋著很大范圍內(nèi)的不同其他主題。對(duì)現(xiàn)代設(shè)備來(lái)說(shuō)，當(dāng)期臨界尺寸小于100nm時(shí)，這個(gè)領(lǐng)域還包括微電子學(xué)（更多時(shí)候會(huì)用納米電子學(xué)來(lái)代替） 。其他的還包括基于以聚合物為基體的生物材料、納米粒子藥物載體、微乳液顆粒、燃料電池用電極的聚合物固載的催化劑、逐層自組裝聚合物薄膜、靜電紡絲納米纖維、平版印刷、混聚物和納米復(fù)合材料。甚至在納米復(fù)合材料領(lǐng)域，很多不同的主題復(fù)合增強(qiáng)，隔絕性質(zhì)，防火性，光電性質(zhì)，美容應(yīng)用，抗菌性能。納米科技在聚合科學(xué)中的研究中并不陌生，因?yàn)樵冢ǎ┲暗难芯恳呀?jīng)涉及納米級(jí)尺寸，只是沒(méi)有像最近的納米技術(shù)一樣被專門(mén)提及。具有相分離的聚和物共混材料經(jīng)常含有納米尺度的相；嵌段共聚物在形態(tài)學(xué)上來(lái)講

48、主要也是納米尺寸；不對(duì)稱膜有納米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)， 微乳液粒徑小于100nm； 混合物和復(fù)合材料的界面現(xiàn)象也涉及納米尺寸。更有甚者對(duì)于納米復(fù)合材料，合成橡膠中碳黑增強(qiáng)相，硅膠改性還有天然纖維（例如石棉納米纖維直徑）增強(qiáng)相也已經(jīng)是被研究了數(shù)十年的課題。在過(guò)去幾十年里研究的基于溶膠-凝膠化學(xué)的有機(jī)-無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料已基本淡出復(fù)合材料的研究。從根本上來(lái)說(shuō)，納米尺寸是宏觀尺度到分子水平的過(guò)渡區(qū)。最近對(duì)基于納米復(fù)合材料的聚合物基體的興趣最初起于對(duì)涉及膨化粘土的有意思的觀察，以及更多的最近的研究碳納米管，碳納米纖維，膨化石墨（石墨烯） ，納米晶態(tài)金屬，還有大量的附加納米無(wú)機(jī)填充物或者纖維改性物。帶有膨化粘土基于

49、納米復(fù)合材料的聚合物基體是重要的改性手段。盡管納米復(fù)合材料的增強(qiáng)相是它的主要方面，但是納米復(fù)合材料的許多其它性能和潛在的應(yīng)用也很重要，包括阻抗性、阻燃性、電 / 電學(xué)性能、膜性能、混聚物兼容性。納米尺寸和較大尺寸上性質(zhì)的比較是一項(xiàng)重要的考慮。相對(duì)于較大尺寸改性，納米尺寸的協(xié)同優(yōu)勢(shì)是重要的考慮因素。理解粒子的性質(zhì)隨著尺寸降低到納米級(jí)別而發(fā)生改變，這對(duì)于優(yōu)化所得到的納米復(fù)合材料很重要。應(yīng)該注意到納米復(fù)合材料系統(tǒng)仍可以用連續(xù)介質(zhì)模型來(lái)模擬，這種情況下絕對(duì)尺寸是不重要的，因?yàn)橹挥行蚊埠腕w積分?jǐn)?shù)對(duì)于預(yù)測(cè)性質(zhì)才是必須的。當(dāng)粒子、板塊或纖維改性的尺寸在1-100nm范圍內(nèi)時(shí)，應(yīng)考慮到納米級(jí)。對(duì)于板塊或纖維，

50、究其范圍（板塊厚度或纖維直徑）最小的尺寸應(yīng)該考慮到?；诩{米復(fù)合材料的聚合物基體的未來(lái)有一個(gè)納米復(fù)合材料能夠在其中成為很大影響力的商業(yè)杰出材料是先進(jìn)復(fù)合材料。由于基體相的低模量和強(qiáng)度，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在可實(shí)現(xiàn)的性質(zhì)改善上有局限（尤其在正交鋪設(shè)復(fù)合材料中） 。在小尺寸上利用碳納米管對(duì)基體的改性和在相對(duì)較高尺寸下利用碳納米纖維改性會(huì)使基體的模量和強(qiáng)度相對(duì)整個(gè)復(fù)合材料來(lái)說(shuō)有很大程度上的改觀。這可以讓單向材料在很多方面得到改善，對(duì)于正交鋪設(shè)復(fù)合材料材料（在先進(jìn)復(fù)合材料中利用的主要復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)類型）來(lái)說(shuō)效果也很顯著。這個(gè)概念是對(duì)當(dāng)前的考慮，也可以允許復(fù)合材料逐步改變。這個(gè)概念在特殊的運(yùn)動(dòng)器材（網(wǎng)球拍

51、和曲棍球球棒）已經(jīng)得到商業(yè)上的應(yīng)用。這些改進(jìn)對(duì)于未來(lái)航空器和風(fēng)能渦輪機(jī)的應(yīng)用意義重大。這個(gè)方法跟天然復(fù)合材料很類似等級(jí)結(jié)構(gòu)制造方法以納米水平為起點(diǎn)，在多個(gè)尺寸范圍內(nèi)應(yīng)用。同樣的概念與更多的商品化的增強(qiáng)復(fù)合物相關(guān)膨化粘土可以加入到不飽和聚酯纖維玻璃復(fù)合材料基體或者其他的纖維玻璃增強(qiáng)基體聚合物中。隨著通過(guò)納米水平構(gòu)造的天然優(yōu)化材料性質(zhì)的方法秘密的揭開(kāi)（仿生學(xué)） ，這些發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移應(yīng)用到聚合物納米材料會(huì)使進(jìn)一步發(fā)展。值得注意的是，納米結(jié)構(gòu)的表面可以產(chǎn)生超疏水特性和獨(dú)特的粘附性。生物和聚合科學(xué)的融合，通常涉及一些模仿生物系統(tǒng)的納米級(jí)聚合物和復(fù)合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。碳納米管或者膨化石墨（石墨烯）為電 / 電子 /

52、光電子學(xué)領(lǐng)域提供了實(shí)質(zhì)上的機(jī)遇，在一些特殊的衍生科技上也有潛在的價(jià)值。一個(gè)特殊的應(yīng)用是由于其低成本和可隨意更換設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，碳納米管將作為透明導(dǎo)電體而取代導(dǎo)電玻璃。碳納米管也已經(jīng)被提出來(lái)，而且如果它的高電導(dǎo)率可以獲得的話（大于103S/cm） ，對(duì)于碳共軛納米管聚合物材料的潛力也會(huì)很有價(jià)值。廉價(jià)石墨的生產(chǎn)尚未實(shí)現(xiàn)，石墨的廣泛使用亟待石墨合成技術(shù)的突破。另一領(lǐng)域涉及包括分散和校準(zhǔn)的形態(tài)學(xué)控制的重要性。獲得納米材料的最優(yōu)化性質(zhì)常常要求納米粒子要具有較好的分散性。納米粒子（包括納米尺寸的小片和纖維）并入到宏觀結(jié)塊中的趨勢(shì)會(huì)大大影響其已有的性質(zhì)。在特例中，較好的各向同性分散可能不會(huì)有預(yù)期的形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)，而

53、是有層次的形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)且具有獨(dú)特的性質(zhì)例如通過(guò)滲濾方式觀察到的使電導(dǎo)率最大化或者較好的圖案形態(tài)以獲得新穎的光或電子學(xué)性質(zhì)。19納米技術(shù)和納米結(jié)構(gòu)材料隨著越來(lái)越多的基于納米材料的產(chǎn)品被引入市場(chǎng)，納米技術(shù)和納米結(jié)構(gòu)材料不僅僅在科學(xué)、研發(fā)領(lǐng)域而且同時(shí)在人們的日常生活中扮演者日益重要的角色。納米技術(shù)處理具有納米尺寸的材料，例如納米結(jié)構(gòu)材料，如果材料的大小到達(dá)納米尺寸，它的物理化學(xué)性質(zhì)會(huì)經(jīng)歷巨大的變化，這會(huì)在未來(lái)得到廣泛應(yīng)用，當(dāng)然目前已實(shí)現(xiàn)的僅僅是小部分。至少有兩種或者更多的力（因素）來(lái)推動(dòng)納米技術(shù)。大多數(shù)生物分子和其他生物材料是納米尺寸的，因此納米尺度提供了研究這些生物分子、材料和其他生物材料的最佳方法

54、。由于一直對(duì)半導(dǎo)體小型化的要求，已經(jīng)深入納米領(lǐng)域的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是（納米技術(shù)的）另一推動(dòng)力。由上述可知，很明顯納米技術(shù)不再僅僅限制在單一學(xué)科，而是要求交叉學(xué) 科的方法，進(jìn)行知識(shí)的融合以及要學(xué)習(xí)來(lái)自物理、化學(xué)、生物、醫(yī)藥、工程和 其他很多不同領(lǐng)域的科學(xué)家的方法。納米結(jié)構(gòu)材料的類型納米結(jié)構(gòu)材料有很多不同的分類，例如：（1）納米粒子；（2）特殊的納米 結(jié)構(gòu)像納米管，富勒烯，納米線，納米棒，納米（洋蔥），納米（燈泡）（？） 和其他相關(guān)材料；（3）厚度在小于100納米的薄膜，可以自組裝成納米材料；（4） 納米復(fù)合材料。納米材料的性質(zhì)納米技術(shù)處理尺寸在納米范圍內(nèi)的材料（100nm）。他們可能是由單一孤立 的納

55、米粒子，像那樣的納米粒子的聚集體，二維納米結(jié)構(gòu)的薄膜，組分是納米 大小尺寸的復(fù)合材料，或者像經(jīng)過(guò)光刻和蝕刻得到的例如半導(dǎo)體裝置的納米大 小的結(jié)構(gòu)，抑或單一納米結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)自組裝形成的結(jié)構(gòu)。不管納米材料性質(zhì)和它 們的制作過(guò)程如何，納米材料許多奇異、甚至令人興奮的性質(zhì)可以歸結(jié)為一個(gè) 簡(jiǎn)單道理：如果材料/結(jié)構(gòu)的尺度接近納米時(shí)，物理和化學(xué)性質(zhì)將發(fā)生巨大的變 化。后者是由于面積與體積比率的急劇增加。對(duì)于半徑為1nm的求，幾乎50%的原子落在表面（在納米管中，所有原子都是表面原子?。┰谖锢韺W(xué)領(lǐng)域，除了在納米范圍內(nèi)也有同樣的巨大變化。（?）原因可以描述如下：如果它的大小（或者組分相的大?。?，也就是所謂的尺寸參數(shù)

56、變得比與 這些性質(zhì)相聯(lián)系的臨界長(zhǎng)度要小時(shí)，固體的性質(zhì)會(huì)發(fā)生巨大的變化。下述是取 自可能會(huì)用來(lái)描述這些現(xiàn)象的電學(xué)，光學(xué)和力學(xué)的幾個(gè)例子。電學(xué)/光學(xué)性質(zhì)如果納米粒子的尺寸比德布羅意波長(zhǎng)，比電子平均自由程（即量子點(diǎn)）短 時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)驚奇的效應(yīng)。帶隙變寬，若在本體材料中，具連續(xù)的態(tài)密度也會(huì) 變火（？）：能級(jí)分離，跟原子的情況很相似（?）。這對(duì)納米材料的光學(xué)性質(zhì)產(chǎn) 生巨大的影響：例如吸收光譜由紅外向可見(jiàn)光區(qū)域移動(dòng)。量子阱（一維）的量子限域效應(yīng)，量子線（二維）和量子點(diǎn)（三維）和能 譜產(chǎn)生的變化對(duì)具有納米結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體的光電性質(zhì)也會(huì)有重要的應(yīng)用，目前已 經(jīng)在光電裝置中得到使用。磁效應(yīng)鐵磁性材料是由經(jīng)過(guò)平行磁化的區(qū)域組成的。若加一個(gè)外磁場(chǎng)H,即使移除外磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)中所有取向磁化的區(qū)域都會(huì)保持原來(lái)的方向。如果鐵磁性納米 粒子的尺寸變得比臨界域尺寸（10-20nm）還要小，僅僅會(huì)有一個(gè)域保留在納米 粒子內(nèi)（？）。當(dāng)再次施加外磁場(chǎng)時(shí)，所有的離子會(huì)隨著這個(gè)場(chǎng)對(duì)齊，但是一旦 撤除這個(gè)場(chǎng)，由于熱運(yùn)動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)取向無(wú)序化。這種表現(xiàn)行為與順磁體的永磁 偶極子很相似，因此又被稱為超順磁性。另一方面，超順磁性粒子在納米技術(shù) 和醫(yī)學(xué)中起重要作用。另