第八章 相变
第八章 相
变
例 题
8-1 马氏体相变具有什么特征？它和成核生长机理有何区别？
解：马氏体相变具有下面特征 ：（1）相变体和母体之间的界面保持既不扭曲变形也不旋转。这种界面称为习性平面（Habit plane ），其结晶学方向不变。（2）无扩散的位移式相变。（3）相变速率可高达声速。（4）相变不是在特定的温度，而是在一个温度范围内进行。
成核生长的新相与母相有完全不同的晶格结构，新相是在特定的相变温度下产生的，相变具有核化与晶化位垒。
8-2 如果在某过冷液态中形成边长为a 的立方体晶核时，求晶核的临界立方体边长a 0和临界自由焓△G 0。和球形晶核比较，哪一种晶核的临界自由焓大？
解：设立方体晶核的临界立方体边长a 0，临界自由焓为△G 0，而球形晶核的临界半径为r p ，临界自由焓为△G p ，当晶核为立方体时边长为a ，则
γ??236 · a G a G V +=
012 · 32=+=??γ??a G a a G V
V
G a ?γ40-=
2
3
23
032 · 46 · 4V
V V V G G G G G ?γγ?γ??γ?=-+-=)()(
当晶核为球形时，半径为r ，则：
γπ?π? · 4 · 3423r G r G V +=
· 8 · 3 · 34
2=+=??γπ?πr G r r G V
V p G r ?γ2-=
γ?γπ??γπ? · )2(
4 · )2( 3
42
3V
V V p G G G G +-=
232316 · 316 V
V G G ?γ?πγ==
由此可见立方晶核的大△G 0 于球形晶核的△G p 。
8-3 由A 向B 的相变中，单位体积自由焓变化△G V 在1000℃是418J/cm 3；在900℃是2090J/cm 3。设A －B 间的界面能为0.5J/m 2，求：（1）在900℃和1000℃时的临界半径，（2）在1000℃进行相变时所需的能量。
解：（1）)(2为临界半径k V
k r G r ?γ=
nm 48.0 9004nm 2 cm
1024418
105.02100084
1==?=??=--k k r .r ℃时℃时
（2） 相变所需能量即为相变临界自由能△G k
J
10120418
310501631610
342
3--?=???==.).(π?γπ?V k G G
8-4 某材料熔体进行冷却结晶，其结晶的平衡温度为1210K ，潜热为-33.9KJ/mol ，固态密度为5.46g/cm 3，摩尔质量为72.59g/mol ，固液界面能为1.81×10-5J/cm 2。试画出其临界晶核半径r k 和临界成核自由焓△G k 与过冷度△T 的关系图。
解：
结晶时产生液固相变，自由焓变为：
为结晶的平衡温度。
e e
T T T
H G ???
· =
所以单位体积的自由焓变化为：
)
(.~366
6m J 101121210
1046
559
7233900
· 10T T
..T T M H V G G e V ???ρ???---?-=??=
?==－
从而
) J ()(10232 )10112(3)1010811(16)(316(m)01721)10112(1010811222
14
2
63
452376
4
5T T G G T T G r V k V k ??π?πγ???γ----?=
??-????=
=?=?-????-=-=......
根据上式可以用作△G k ～△T 和r k ～△T 关系曲线。如图8-1（a ），（b ）所示。
图8-1 例题8-5附图
8-5 在液固相变时，产生球形固相粒子，系统自由焓的变化为γ
π?π?2343
4r G r G V +=。设△G k 为
临界自由焓，V k 为临界晶核的体积。试证明：V
k k G V G ??2
1=对非均匀成核假定晶核为球冠形可得到同
样的结论。
解：
（1）均匀成核
成立
所以得
由
V
k k V
k V k V V k V k V
k G V G G V G r G G r G G G r r
G ????π??π?πγ??γ?2
1
2
1
32 )(3)21
(16)(31620)
(32
3
23
===?==-=
=??
（2）非均匀成核如图8-2所示
图8-2 例题8-6附图
V
k V
k V LV k V
k LV V
LV
k G V G G G G G ??θ
θπγθθ?πγ??γγ?γγ***
*
*2
1
]3cos cos 32[21 ]4)cos )(1cos 2([)
(3162
12322
3
=+-=-+=-=-
=所以
因
8-6 请简要说明晶体线性生长速率与哪些参数有关？ 解：
晶体的线性生长速率可以表示为：
)]
exp(1)[exp( )]
exp(1[0RT G RT G RT
G U V B
L V
??λν?λν---=-
-=-
式中 △G V ——液相转变为晶相的自由焓变化；
λ——界面层厚度；
△G L-B ——质点从液相通过界面迁移到晶相所需的活化能；
v ——质点从液相转入晶相的频率因子； v 0——质点的跃迁频率。
由上式可见，λ越大即界面层越厚，晶体的生长速率与成λ正比；△G L-S 增大，U 减小。而△G V 增大，U 也随之增大；温度的影响要看△G L-S 与△G V 的大小。如果L S V G G -??，则温度T 越大，生长越快。
如果L S
V G G -??，那么温度T 大反而生长慢。
8-7 某材料相变时其成核速率I V ＝1000cm -1 s -1，线性生长速率U ＝3×10-5cm/s 。试用Avrami 式画出相变分数x 与时间t 的关系图及
4
11
ln
t x 与-的关系图。假定I V 不随时间改变。
解：
已知
11s cm 1000--=V I
s cm 1035-?=U
Avrami 关系式为
)
1072ex p(1)· · 3
ex p(141143t t u I V
V V -?--=-
-=.π
β
即
)1072ex p(1411t x -?--=.
根据上式作图如图8-3（a ）（b ）所示。
图8-3 例题8-7附图
8-8 试证明使成核速度I V 达到最大值的温度
1
()(
)k m k m T T m
G T G G T --??=?+??
解：
)
exp( · ]exp[0RT G RT G I I m
k V ??--=
])(ex p[0RT G G I m k ??+-=
0)](1][)([20=??-+++-=??T G RT RT G G RT G G I T I k
m k m k V ?????
)
(0)(1)
(2
T G T G G T G RT RT G G G k
m k k
m
k m ??=+=??--
+???????为常数设 则
1
)
)((-??+=T G G G T k m k m ???
8-9 在还原气氛中，硅酸盐材料中的氧化硅要蒸发（挥发）损耗。在1320℃某还原气氛条件下，材料上方SiO 2气体的压力为30Pa ，请估计面积为A （cm 2）的材料的蒸发速率。
解：已知：P ＝30Pa M ＝0.060kg/mol T ＝1593K a ≤1 即SiO 2的蒸发速率为
MRT
AaP t
n
π2d d
=159331480600230
104?????-..πA )s m ol (102545
A
-?=.
在此条件下，SiO 2的蒸发速率不大于4.25×10-5 A （mol/s ） 8-10 试证明气–固相变时，成核速率I S 可以表达为
])(ln 316exp[2
332
3S T k V K I s πγ-=。V 为凝聚固相的分子体积，S 为过饱和率。
解：令形成固相的体积为V s ，那么单位体积的自由焓变化为
s
s
V V S RT V G
G )(ln =
=
??
所以
22
2232
3
*)(ln 316)(216S T k V G G s V s
πγ?πγ?-== 22
2232
23323)(ln 316)(ln 316S T k V N S T k V s πγπγ==
式中V ＝V S /N 为分子体积
]
)(ln 316exp[ )
exp( · 2332
3S T k V K kT
G n K I s s πγ?-=-
=*
8-11 在某物质从熔体冷却而结晶，应用Christian 式计算结晶完成的分数。已知n ＝3，K ＝10-3/s 3。求（a ）t ＝1s ，（b ）t ＝5s 时的结晶分数？
解：Christian 方程式为
)exp(1n
Kt V V -=β
当 )110exp(1s
133?--==-V V t β
%81188201)510exp(1s 5%
109990-1 33..=-=?--====-V V t ..β，
8-12 在某固相中产生一种球形淀析物的晶核，假定应变能与球的体积成正比，试证明对于均匀成核，
其临界自由焓2
3
)(316E G G V k +=?πγ?，式中E 为比例函数。
解：固–固相变时如新相为球形，则成核时系统自由焓变化如下式：
ω
γπ?π?++=· 43
4
23r G r G V
式中ω为应变能。据题意
)
3
4(3r B πω=
式中B 为常数。由上面两个关系式可得
γ
π?π?224)(3
4r B G r G V +-=
若
0=??r G
?
则得
E G B G r V V k +-=
--=
?γ
γ22Δ
式中E ＝－B ，将r k 代入△G 的表达式可得
23
)(316E G G V k +=
?πν?
8-13 已知Spinodal 分解浓度波动方程为：
Z
R C C · 2)cos
(exp 0λ
π
λ=-
求临界波长λ0。其中
]
82[4)(2
22
λ
πηγλ
πλK
G M
R +
+''-=，M 为互迁移率，η为浓度梯度造成的错
配位，γ＝E （1－μ），E 为弹性模量，μ为泊松比。K 为常数 ，λ为波长，Z 为距离，t 为时间，2
2
x G G ??=''。
解：由题意当R （λ）＝0时，
Z
C C · 2cos
0λ
π
=-
此时成分波动不随时间变化，即不发生Spinodal 分解。只有R （λ）>0时才有Spinodal 分解出现，因而当R （λ）＝0时的λ值为临界波长λ0。
所以
8220
2=+
+''λπηγK
G
2
1
20]
28[ηγπλ+''-=G K
8-14 SiO 气相凝聚为SiO 1.5，其界面能γ为5.00×10-8J/cm 2，凝聚相分子的体积V 为2.4×10-23cm 3。SiO 的平衡蒸气压为P 0q ＝105exp[12.81(1－2300.9/T)]Pa （在H 2中）。在1000K 时，SiO 气相大量成核的临界压力为2.80Pa ，成核速率常数K 为 4.35×1072。请计算其成核速率。已知成核速率
]
)(ln 316exp[2332
3S T k V K I s πγ-=。
解： 1000K 时，
)]9
.23001(81.12exp[105T P -
?＝
(Pa)
1079.5)]1000
9
.23001(81.12exp[104
5-?-?＝＝
]
)(ln 316exp[2332
3S T k V πγK I s -＝
])
8.2107.5(ln 1000)1038.1(3)104.2()1000.5(16exp[1035.4 2
4
33232
233572
----?????????-?π＝
)cm (s 1039.7 3169--?＝
习 题
8-15 何谓相变？相变和相分离有何异同？ 8-16 概要说明相变的分类？
8-17 什么是均匀成核？什么是非均匀成核（或称多相成核）？在实际过程中能否区别？怎样区别？ 8-18 为什么成核生长机理的相变过程要有一点过冷或过热，相变才能发生，在什么情况下需要过冷，什么情况下需要过热？一般物质具有最大成核速率的过冷度应如何求得？
8-19 在非均匀成核的情况下，成核的活化能与表面现象张力有关，试讨论非均匀成核的活化能*k G ?与
接触角θ的关系。证明当θ＝90°时，△G k 是均匀成核活化能△G k 的一半。
8-20 某材料结晶时γLV ＝2.00×10-15J/cm 2，△G V 为2.09J/cm 3。在非均匀成核结晶时，不同的外来基
质和晶核有不同的接触角θ。试画出非均匀成核位垒
θθ?cos *
及与k G 的关系曲线。 8-21 如何确定某玻璃为防止析晶所必须的冷却速率，试写出计算或作图的步骤。 （提示：首先选择一个特定的结晶分数
V V β，求出不同同下的成核速率I V i 和生长速率U i
，代入
t
U I V V V 33
π
β=
，求出相应的时间ti 。据所求数值作T －T －T 图。由图曲线头部突出点的过冷度△T n 和
时间τ
n 值，按
n n c T t T τ?=)d d (求得即为防止析晶所必须的冷却速率）
8-22 为了使在扩散炉中的石英玻璃尽可能不发生析晶现象，应采取什么措施，为什么？
8-23 试讨论由SiO 2相变对含SiO 2材料的制备工艺过程和所得材料的性能或使用范围的影响：（a ）SiO 2
砖（b ）普通瓷。
8-24 锗液态的平衡结晶温度为1231K ，结晶潜热为34.7kJ/mol 。在过冷度为200K 时可以均匀成核，其成核临界半径为10-9m ，问锗的晶–液表面能为多少？已知锗的ρ＝5.35g/cm 3，摩尔质量107.9g 。（0.207J/m 2）
8-25 若形成第二相颗粒时体积自由焓的变化为108J/m 3，比表面能为1 J/m 3，应变能忽略不计，试求均匀成核时晶核的临界半径。（2×10-8m ）
8-26 什么是亚稳分解和不稳分解？如何用实验方法区分这两种过程？
（提示：从热力学和动力学特性以及过冷度和时间对产物显微组织的影响进行分析）
8-27 某材料的固–液界面能为γ，熔点为T m ，熔融潜热△H m ，请利用自发成核速率方程
)exp(KT G h nKT
I k V ?-=
计算该材料在I V 达到V 时的过冷度△T 。式中的n 为单位液相分子数，K 为
Boltzmann 常数，h 为Plank 常数，△G k 为相变位垒。已知该材料的分子的相对质量为M ，密度为D 。
（
)
ln
316(2
3m m m
DNKT Mh
H K T T υ?πγ?-
=）
8-28 组成为Na 2O ＝6.0％，B 2O 3＝25.6％，及SiO 2＝68.4％的钠硼玻璃分别在564℃、640℃与708℃经5.76×104s 热处理，其色泽由透明→半透明→白色不透明，这说明了什么？实验表明富SiO 2相的比表面A （m 2·g -1）与热处理温度T （K ）、时间t （s ）的关系为])
10671ex p(10152[2
1
5
9
-?-?=RT t A /..，
试分别求出上述热处理条件下，富SiO2相的比表面。这与热处理时出现的现象一致吗？
（564℃A1＝54.1m2/g 640℃A2＝19.8m2/g 708℃A3＝10.2m2/g ）8-29 试讨论在不同过冷度条件下，ZrO2材料经马氏体相变后的显微组织特征。
8-30许多金属材料具有这样的规律：每个原子间的界面能约等于每个原子熔融潜热的一半。应用这条经验法则对应于△T＝10，20，50℃的各个温度，求出金属铜的△G k和r k。铜的熔点是1083℃，密度为8.3 g/cm3，熔融潜热为 1.9×103J/m3，每个原子的面积是0.6nm2
（
cm
10
87
2
J
10
97
6
5
2
7
T
r
T
G
k
k?
?
?
-
-
?
=
?
=
.
/
.
）
8-31某材料从熔体冷却结晶过程是属多孔性不连续淀析界面控制的相变，其Avrami数为3，结晶速
率常数为10-3。问要使结晶分数达到10%和20%时需经过多长时间？
（4.7s，6s）8-32掺5％MgO的α－Si3N4在1500～1750℃的温度范围内，在0.02Pa的压力下热压烧结。在烧结过程中α－Si3N4相向β－Si3N4转化。其转化分数a是温度和时间的函数，试验结果表明这种转化为扩散控制的相变过程。请设计一组实验，测定这种材料在不同温度下的转化率a，并计算这种材料的活化能Q值。
（
2
1
2
1
2
1/
ln K
K
T
T
T
RT
Q
-
=
）
8-33 下列多晶转变中哪一个转变需要的激活能最低？哪一个最高？为什么？（a）bcc Fe→fcc Fe；（b）
石墨→金刚石；（c）立方BaTiO3→四方BaTiO3；（d）四方ZrO2→单斜ZrO2（提示：应查出有关热力学数值然后计算比较）
8-34举例说明相变理论在科学研究和生产实际中的应用。
高分子物理名词解释
1.名词解释 凝聚态，内聚能密度，晶系，结晶度，取向，高分子合金的相容性。 凝聚态：为物质的物理状态，是根据物质的分子运动在宏观力学性能上的表现来区分的，通常包括固体、液体和气体。 内聚能密度：CED定义为单位体积凝聚体汽化时所需要的能量，单位： 晶系：根据晶体的特征对称元素所进行的分类。 结晶度：试样中的结晶部分所占的质量分数（质量结晶度）或者体积分数（体积结晶度）。取向：聚合物的取向是指在某种外力作用下，分子链或其他结构单元沿着外力作用方向的择优排列。 高分子合金的相容性：两种或两种以上高分子，通过共混形成微观结构均一程度不等的共混物所具有的亲和性。 3.聚合物在不同条件下结晶时，可能得到哪几种主要的结晶形态？各种结晶形态的特征是什么？ 答：（1）可能得到的结晶形态：单晶、树枝晶、球晶、纤维状晶、串晶、柱晶、伸直链晶体；（2）形态特征： 单晶：分子链垂直于片晶平面排列，晶片厚度一般只有10nm左右； 树枝晶：许多单晶片在特定方向上的择优生长与堆积形成树枝状； 球晶：呈圆球状，在正交偏光显微镜下呈现特有的黑十字消光，有些出现同心环； 纤维状晶：晶体呈纤维状，长度大大超过高分子链的长度； 串晶：在电子显微镜下，串晶形如串珠； 柱晶：中心贯穿有伸直链晶体的扁球晶，呈柱状； 伸直链晶体：高分子链伸展排列晶片厚度与分子链长度相当。 1.溶度参数的含义是什么？“溶度参数相近原理”判断溶剂对聚合物溶解能力的依据是什么？ 答：（1）溶度参数：是指内聚能密度的平方根； （2）依据是：，因为溶解过程>0，要使<0，越小越好，又 因为?，所以与越相近就越小，所以可用“溶度参数相近原理”判断溶剂对聚合物的溶解能力。 2.什么叫高分子θ溶液？它与理想溶液有何本质区别？ 答：（1）高分子θ溶液：是指高分子稀溶液在θ温度下（Flory温度），分子链段间的作用力，分子链段与溶剂分子间的作用力，溶剂分子间的作用力恰好相互抵消，形成无扰状态的溶液。此时高分子—溶剂相互作用参数为1/2,内聚能密度为0.（2）理想溶液三个作用力都为0，而θ溶液三个作用力都不为0，只是合力为0. 4.什么叫排斥体积效应？Flory-Kingbuam稀溶液理论较之晶格模型理论有何进展？ 答：（1）排斥体积效应：在高分子稀溶液中，“链段”的分布实际上是不均匀的，高分子链以一个被溶剂化了的松懈的链球散布在纯溶剂中，每个链球都占有一定的体积，它不能被其他分子的“链段”占有。 （2）进展：把“链段”间的排斥体积考虑进去，更符合实际。
高分子复合材料重点
高分子复合材料重点
“高分子复合材料”练习题 第1章绪论 2、简述复合材料的特性。 A 比强度和比模量,复合材料的突出特点是比强度与比模量高。 B 抗疲劳性能 C 减振性能 D 过载安全性 E 高温性能良好 F 具有可设计性 第2章基体材料 2、述不饱和聚酯树脂固化中交联剂的选择以及引发剂的结构特点； 交联剂的选择一般对交联剂有如下的要求：高沸点、低粘度，能溶解树脂呈均匀溶液，能溶解引发剂、促进剂及染料；无毒，反应活性大，能与树脂共聚成均匀的共聚物，共聚物反应能在室温或较低温度下进行。 引发剂的结构特点：引发剂一般为有机过氧化物4、简述酚醛树脂的种类及其常用固化剂； 酚醛树脂的种类：a．热固性酚醒树脂 b．热塑性酚醛树脂 c．其它类型酚醛树脂
(a)低压钡酚醛树脂。(b)硼酚醛树脂。(c)改性酚醛树脂。 常用固化剂：热固性塑料酚醛树脂一般采用酸类固化剂。常用的酸类固化剂有盐盐酸或磷酸，也可用对甲苯磺酸、苯酚磺酸或其它的磺酸。 5 简述热塑性树脂的特点及其常用产品； 热塑性树脂的特点：就是加热软化甚至熔融，冷却后硬化，这个过程是可以反复进行的，因此，热塑性树脂的加工成型是非常方便的。 常用的热塑性树脂：有聚乙烯、聚碳酸酌、聚甲醛、聚苯醚、聚矾、豪四氟乙烯等。 6、简述聚苯硫醚的结构及其物理特性。 聚苯硫醚是以硫化钠和对二氯苯为原料制备的，在其分子链中含有苯硫基，分子结构式为右方所 示。 聚苯硫醚为一种线型结构，当在空气中加热到345℃以上时，它就会发生部分交联。固化的聚合物是坚韧的，且是非常难溶的。聚苯疏醚具有优异的综合性能。表现为突出的热稳定性，优良的化学稳定性、耐蠕变性、刚性、电绝缘性及加工成型性。
§1水的相变及相图
§1水的相变及相图 返回 概述 1.水蒸气是热力工程中最为常见的工质 在18世纪发明的蒸气机，水蒸气是唯一的工质，直到内燃机发明，才有了燃气工质。尽管在各种热力设备或系统中，已采用了其他物质作为工质，如空气、各种制冷剂、燃气 等等，但水蒸气目前仍是暖通、火力发电、核电、化工等行业热力设备或系统中最为普遍 采用的工质。 作为工质，水蒸气具备：来源丰富，耗资少，无毒无味，比热容大，传热好，良好的 膨胀和载热性能等优点。 2.水蒸气是实际气体 水蒸气在工程应用中，一般处于离液态不远的状态，是一种实际气体。只有在空气中，由于其含量极小，可视作理想气体处理。 在热力设备或系统工作过程中，涉及到物质的聚集态主要是液态和气态。那么，对于 非理想气体的性质及其热力过程如何分析呢？本章将以水蒸汽为例，说明实际气体热力性 质的基本特点和确定方法、参数计算以及基本热力过程分析的基本方法。 重点内容： 了解实际气体热力性质的基本特点，与理想气体的区别所在。 一、纯物质聚集态的变化 纯物质通常以三种聚集态固相、液相及气相状态存在。 1.纯物质聚集态的变化 融解与凝固→固态与液态；汽化与凝结→液态与气态；升华与凝华→固态与气态。 2.聚集态变化的影响因素 纯物质种类、压力、温度 二、纯物质的p-t相图 1. p-t相图 指在p-t图上，纯物质在发生聚集态变化时压力及温度的变化规律。如图7-2所示。
注意： (1)三相点是三条相平衡曲线的交点。 (2)临界点以上区域（虚线以上区域，即温度及压力均高于临界点温度及压力）为气 液相不分或共存区域，只体现流体的特性。 (3)多数物质压力增大将使凝固点温度增加。但对于水等少数物质，压力的增大将使 其凝固点温度降低。 图7-2 纯物质的p-t相图 2.几个基本概念 (1)三相点与临界点（每种纯物质的三相点与临界点的压力和温度都是唯一确定的。） 临界状态(临界点)：临界点（状态）是气-液共存的状态，而且气、液的状态参数值 相同，例如具有相同的比容、密度等等。 ▲任何纯物质都有自己唯一确定的临界状态，而且临界参数是唯一确定的，分别为临 界温度Tc、临界压力pc 和临界比容vc，是实际气体性质的重要参数。 ▲在p≥pc下，定压加热过程不存在汽化段，水由未饱和态直接变化为过热态。 ▲当t>tc时，无论压力多高都不可能使气体液化。 ▲在临界状态下，可能存在超流动特性。 ▲在临界状态附近，水及水蒸气有大比热容特性。 三相点：在一定的温度和压力下，气相、液相和固相三相共存而处于平衡的状态，称 为三相点，对应的温度和压力称为三相点温度和压力。 ▲三相点为实现气相和液相转变的最低点 ▲三相点是出现固相物质直接转变为气相物质的升华现象的起始点。 ▲对于每种物质，其三相点的温度及压力都有确定的数值，是实际气体性质的重要参 数之一。 (2)相平衡曲线：包括融解线（或与凝固线）；汽化线（或凝结线）；升华线（或凝 华线）。 (3)单相区：固相区、液相区及气相区。 3.水的临界点
高分子物理学(吴其晔)课后答案
高分子物理答案详解（第三版） 第1章高分子的链结构 1.写出聚氯丁二烯的各种可能构型。 等。 2．构象与构型有何区别？聚丙烯分子链中碳—碳单键是可以旋转的，通过单键的内旋转是否可以使全同立构聚丙烯变为间同立构聚丙烯？为什么？ 答：（1）区别：构象是由于单键的内旋转而产生的分子中原子在空间位置上的变化，而构型则是分子中由化学键所固定的原子在空间的排列；构象的改变不需打破化学键，而构型的改变必须断裂化学键。 （2）不能，碳-碳单键的旋转只能改变构象，却没有断裂化学键，所以不能改变构型，而全同立构聚丙烯与间同立构聚丙烯是不同的构型。
3.为什么等规立构聚丙乙烯分子链在晶体中呈31螺旋构象，而间规立构聚氯乙烯分子链在晶体中呈平面锯齿构象？ 答（1）由于等归立构聚苯乙烯的两个苯环距离比其范德华半径总和小，产生排斥作用，使平面锯齿形（…ttt…）构象极不稳定，必须通过C-C键的旋转，形成31螺旋构象，才能满足晶体分子链构象能最低原则。 （2）由于间规聚氯乙烯的氯取代基分得较开，相互间距离比范德华半径大，所以平面锯齿形构象是能量最低的构象。 4.哪些参数可以表征高分子链的柔顺性？如何表征？ 答：（1）空间位阻参数（或称刚性因子），值愈大，柔顺性愈差； （2）特征比Cn，Cn值越小，链的柔顺性越好； （3）连段长度b，b值愈小，链愈柔顺。 5．聚乙烯分子链上没有侧基，内旋转位能不大，柔顺性好。该聚合物为什么室温下为塑料而不是橡胶？ 答：这是由于聚乙烯分子对称性好，容易结晶，从而失去弹性，因而在室温下为塑料而不是橡胶。 6.从结构出发，简述下列各组聚合物的性能差异： （1）聚丙烯睛与碳纤维； （2）无规立构聚丙烯与等规立构聚丙烯； （3）顺式聚1，4-异戊二烯（天然橡胶）与反式聚1，4-异戊二烯（杜仲橡胶）。（4）高密度聚乙烯、低密度聚乙烯与交联聚乙烯。 (1)线性高分子梯形高分子 (2 非晶高分子结晶性高分子 (3)柔性 (4)高密度聚乙烯为平面锯齿状链，为线型分子，模量高，渗透性小，结晶度高，具有好的拉伸强度、劲度、耐久性、韧性；低密度聚乙烯支化度高于高密度聚乙烯（每1000 个主链 C 原子中约含15～35 个短支链），结晶度较低，具有一定的韧性，放水和隔热性能较好；交联聚乙烯形成了立体网状的结构，因此在韧性、强度、耐热性等方面都较高密度聚乙烯和低密度聚乙烯要好。
材料热力学
2012 年春季学期研究生课程考核 （读书报告、研究报告） 考核科目:材料热力学 学生所在院（系）:理学院应用化学系 学生所在学科: 学生姓名 学号: 学生类别: 考核结果阅卷人 第 1 页（共 5 页）
材料热力学在材料研究方面的应用 摘要：材料热力学对于材料的预测和使用具有理论指导作用，本文总结了近年来材料热力学在功能材料设计分析方面的应用，并对材料热力学这门学科在材料方面的应用进行了总结。 关键词：材料热力学；材料；应用 1.材料热力学概述 材料热力学就是把热力学原理和材料联系起来，用热力学的理论解决材料在设计、制造、应用时的相应问题。材料热力学课程以热力学定律为基础，着重介绍了统计热力学在材料中的应用，如溶液的统计热力学、相图热力学、相变热力学和化学平衡热力学等。 2.计算材料科学与热力学 随着科学技术的不断进步，已有的材料越来越不能满足当前甚至可预见的未来的科技发展对于生产、生活中各种器械材料的需要，已有的材料不断被淘汰，人们对材料提出越来越多的要求和希望。材料逐渐向功能的多样化和性能的优异化发展。大量的材料量和质的需求使人们不得不摈弃传统材料开发的逐一试探的方法。带预测性的材料设计理念就这样应运而生了。随着现当代材料分析与检测仪器精度和灵敏性的提高，人们可以积累大量的材料性能的数据，这为发展新的材料模型或新材料的预测和模拟研究提供了有利条件。由此产生了以材料热力学理论为基础，计算机技术辅助支撑的计算材料科学。 耿太在他的硕士论文[1]中提到，计算材料科学发展中最活跃的是包含相图热力学和相变动力学计算在内的CALPHAD领域。在此领域中，热力学模拟优化的过程和实验技术紧密结合，并与材料的成分、足迹和制备过程联系密切。而目前，材料设计领域的新课题就是连接不同层次材料的成分设计、微观结构、制备工艺来达到从微观结构到宏观性能的整体预测和设计。在这篇文章中，应用了热力学计算软件，计算了平衡态相图对耐腐蚀合金的耐腐蚀性能，计算了铁铝、铁硼合金的平衡态相图，并与标准的二元相图做了比较分析。他认为这种计算分析对于合金成分设计制备具有指导意义。 3.材料热力学用于金属材料 实际生产生活中应用最广泛的材料是金属材料。而金属材料中用到最多的又是金属基的复合材料。通过复合化设计后金属材料可以形成金属基的复合材料。金属基的复合材料具有更好的机械性能和功能性能，是当前高新技术、环境、能源、通信、汽车、国防及航空航天设备中不可替代的重要材料，并在国民经济和国防建设中有着不可替代的重要作用。 范同祥等人认为，金属熔体的热力学性质历来是材料科学、冶金化学和流体物理学等领域的工作者关注的冶金热力学的核心课题之一[2]。他们认为，热力学和动力学在研究复合材料界面反应控制、反应自生增强相种类选择、反应自生增强相尺寸控制、金属基复合材料体系设计及复合制备工艺优化等方面有很大的应用价值。并且，基于组元元素的悟性参数能为金属基复合材料的研究提供理论指导。但是，金属熔体的结构比较复杂，其热力学和动力学性质带有复杂性，且不同的体系有其特殊性，在这种情况下的热力学和动力学的模型应用就有其局限性和针对性，这样的模型需要发展和完善。另外，可以把热力学和动力学与第一性原理相结合，从原子尺度进行计算，这样就能在复合材料的研究中扩大热力学和动力学的应
高分子凝胶
姓名：王敏 学校：南通大学 学院：化学化工学院 专业：高分子材料与工程 指导老师：陆亚请 目录 2、智能高分子凝胶的介绍.......................................... 3、智能凝胶的体积相变原理........................................ 4、智能高分子凝胶对各种外界刺激的晌应性.......................... 4.1溶剂组成.................................................. 4．2温度..................................................... 4．3pH值..................................................... 4．4光....................................................... 4．5电场..................................................... 4．6磁场..................................................... 4.7化学物质.................................................. 4.8表面活性剂................................................ 4.9温度与PH双重性........................................... 5、智能凝胶的应用................................................ 5．1药物释放系统(DDS) ........................................ 5．2化学机械................................................. 5．3化学阀................................................... 5．4人工触觉系统............................................. 5.5调光材料.................................................. 5.6组织工程.................................................. 5.7环境工程.................................................. 5.8智能膜.................................................... 5.9灵巧凝胶表面.............................................. 6、展望.......................................................... 致谢............................................................. 参考文献：....................................................... 智能高分子凝胶刺激响应的分类与应用 （南通大学化学化工学院王敏）
高分子物理知识点
构象：具有一定组成和构型的高分子链通过单键的内旋转而形成的分子中的原子在空间的排列 柔性： 高分子链中单键内旋的能力； 高分子链改变构象的能力； 高分子链中链段的运动能力； 高分子链自由状态下的卷曲程度。 链段：两个可旋转单键之间的一段链，称为链段 影响柔性因素： 1支链长，柔性降低;交联度增加，柔顺性减低。 2一般分子链越长，构象数越多，链的柔顺性越好。 3分子间作用力越大，聚合物分子链所表现出的柔顺性越小。分子链的规整性好，结晶，从而分子链表现不出柔性。 控制球晶大小的方法： 1控制形成速度； 2采用共聚方法，破坏链的均一性和规整性，生成较小的球晶； 3外加成核剂，可获得小甚至微小的球晶。 聚合物的结晶形态： 1单晶：稀溶液，慢降温，螺旋生长 2球晶：浓溶液或熔体冷却 3树枝状晶：溶液中析出，低温或浓度大，分子量大时析出； 4纤维状晶：存在流动场，分子量伸展，并沿流动方向平行排列； 5串晶：溶液低温，边结晶边搅拌； 6柱晶：熔体在应力作用下冷却结晶； 7伸直链晶：高压下融融结晶，或熔体结晶加压热处理。 结晶的必要条件： 1内因： 化学结构及几何结构的规整性； 2外因：一定的温度、时间。 结晶速度的影响因素： 1温度——最大结晶温度：低温有利于晶核形成和稳定，高温有利于晶体生长； 2压力、溶剂、杂质：压力、应力加速结晶，小分子溶剂诱导结晶； 3分子量：M 小结晶速度块，M 大结晶速度慢； 熔融热焓?H m ：与分子间作用力强弱有关。作用力强，?H m 高 熔融熵?S m ：与分子间链柔顺性有关。分子链越刚，?S m 小 聚合物的熔点和熔限和结晶形成的温度T c 有一定的关系： 结晶温度Tc 低(< Tm )，分子链活动能力低，结晶所得晶体不完善，从而熔限宽，熔点低； 结晶温度Tc 高(~ Tm )，分子链活动力强，结晶所得晶体更加完善，从而熔限窄，熔点高。 取向：在外力作用下，分子链沿外力方向平行排列。聚合物的取向现象包括分子链、链段的取向以及结晶聚合物的晶片等沿特定方向的择优排列。 取向机理： 1高弹态：单键的内旋转。外力作用下，链段取向；外力解除，链段解取向 2粘流态：高分子各链段的协同运动。外力作用下，分子链取向；外力解除，分子链解取向 3结晶高聚物：非晶区取向，可以解取向；晶粒取向，不易解取向 取向度： 高分子合金又称多组分聚合物， 在该体系中存在两种或两种以上不同的聚合物， θ θθ22sin 2 3 1)1cos 3(2 1-=-=f
第8章组合变流电路
第8章组合变流电路 主要内容：间接交流变流电路，交—直—交变频电路（VVVF），恒压恒频变流电路（CVCF），间接直流变流电路（间接DC/DC变换器），开关电源。 组合变流电路：是将AC/DC、DC/DC、AC/AC和DC/AC四大类基本变流电路中的某几种基本的变流电路组合起来，以实现一定的新功能。 间接交流变流电路：先将交流整流为直流，再逆变为交流，是先整流后逆变的组合。 应用： 交直交变频电路（Variable Voltage Variable Frequency—VVVF），主要用作变频器。 恒压恒频变流电路（Constant Voltage Constant Frequency—CVCF），主要用作不间断电源（Uninterruptable Power Supply——UPS）。 间接直流变流电路：先将直流逆变为交流，再整流为直流电，是先逆变后整流的组合。 应用：各种开关电源（Switching Mode Power Supply——SMPS） 1 间接交流变流电路 （1）间接交流变流电路原理 a 电压型间接交流变流电路 电压型间接交流变流电路在负载能量反馈到中间直流电路时，将导致电容电压升高，称为泵升电压，如果能量无法反馈回交流电源，泵升电压会危及整个电路的安全。 图8-1 不能再生反馈的电压型间接交流变流电路 为使电路具备再生反馈电力的能力，可采用： 带有泵升电压限制电路的电压型间接交流变流电路，当泵升电压超过一定数值时，使V0导通，把从负载反馈的能量消耗在R0上。 利用可控变流器实现再生反馈的电压型间接交流变流电路，当负载回馈能量时，可控变流器工作于有源逆变状态，将电能反馈回电网。 整流和逆变均为PWM控制的电压型间接交流变流电路，整流和逆变电路的构成完全相同，均采用PWM控制，能量可双向流动。输入输出电流均为正弦波，输入功率因数高，且可实现电动机四象限运行。
相图与相变期末考试提纲
考试题型 一、名词解释（每小题5分，共20分） 二、填空题（每空1分，共10分） 三、选择题（每小题2分，共20分） 四、简答题（每小题8分，共16分） 五、证明题（10分） 六、综合题（每小题12分，共24分） 复习提纲 固体中的相结构 固溶体——合金的组元之间以不同比例相互混合，混合后形成的固相晶体结构与组成合金的某一组元的相同，这种相就称为固溶体，这种组元称为溶剂，其它的组元即为溶质。 金属化合物——在合金系中，组元间发生相互作用，除彼此形成固溶体外，还可能形成一种具有金属性质的新相，即为金属化合物，其晶格类型和性能均不同于任一组元，一般可以用分子式大致表示其组成。 固溶体的特征：溶质和溶剂原子占据一个共同特征的布拉非点阵；有一定的成分范围；具有比较明显的金属性质。 固溶体的分类：置换固溶体，溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成的固溶体，犹如这些结点上的溶剂原子被溶质原子所置换一样，因此称之为置换固溶体。间隙固溶体：溶质原子不是占据溶剂晶格的正常结点位置，而是填入溶剂原子间的一些间隙中。（溶质原子分布于溶剂晶格间隙中。） 置换固溶体中影响固溶度的因素：晶体结构、原子尺寸、电负性差、电子浓度、温度 怎样判断一个固溶体是置换式还是间隙式
固溶体的性质 金属化合物结构特点: ①典型成份可用化学分子式表示：AmBn ②具有与组成组元不同的结构类型，各组元独立呈规则分布。 ③大部分可以化合物为基，形成固溶体，成分可变。 金属化合物的类型： 服从原子价规律的正常价化合物； 决定于电子浓度的电子化合物； 小尺寸原子与过渡族金属之间形成的间隙相和间隙化合物。 固溶体与中间相的区别 离子晶体结构类型：晶体所属的晶系、晶体中质点的堆积方、配位数及其连接 方式、晶胞分子数 1）AB型（CsCl型、NaCl型、立方ZnS(闪锌矿)型、 六方ZnS(纤锌矿)型） 2）AB2型（CaF2(萤石型)、TiO2(金红石)型） 3）A2B3型α－Al2O3 4）ABO3型（CaTiO3(钙钛矿、灰钛矿)型） 5）AB2O4型尖晶石(MgAl2O4) 第6章单组元相图及纯晶体的凝固 相律、相平衡条件 液态结构、冷却曲线 纯金属液体中形成临界晶核的条件，凝固过程中自由能变化情况 界面状态与晶体的生长机制，其长大速率与过冷度的关系 纯金属凝固时冷却曲线特点 纯金属结晶条件：热力学条件：△G<0 即（△T>0）；动力学条件：动态过冷；结构条件：相起伏；能量条件：能量起伏 均匀形核、非均匀形核及其联系和区别（如形核功（率）的比较） 均匀形核理论，形成临界核心时体系的临界晶核半径、自由能变化情况 凝固理论应用：晶粒度级数与晶粒粗细的关系，细化晶粒的方法 单晶制备方法
高分子知识点
什么是高分子？ 答：由众多原子或原子团主要以共价键结合而成的相对分子量在一万以上的化合物，叫高分子化合物。 什么是聚合物的柔顺性？聚合物为什么具有柔顺性？影响聚合物柔顺性的因素有哪些？答：高分子链能够改变其构象的性质称为柔顺性。 高分子由于分子量大，分子链中能够内旋转的化学键众多，内旋转使其具有大量不同卷曲程度的构象状态，因而有良好的柔顺性。 影响因素有主链结构、侧链基结构、侧基极性的强弱、链的长短、分子间作用力、分子链规整度、分子量大小、支化、交联。 什么是液晶？液晶具有什么性质？聚合物都可以形成液晶吗？ 答：液晶是某些物质在熔融态或在溶液状态下所形成的有序流体的总称。 液晶具有高弹性、粘滞性、流变性。 不可以，形成液晶的物质通常具有液晶基元。 什么是聚合物的力学三态？对应的特征温度是什么？聚合物的力学三态有什么特点？交联聚合物有粘流态吗？ 答：聚合物的力学三态是玻璃态、高弹态和黏流态。 玻璃态和高弹态之间的转变温度称为玻璃化转变温度，高弹态和黏流态之间的转变温度称为黏流温度。 玻璃态链段运动被冻结，形变小，可逆，模量高；高弹态链段运动被激活，形变大，可逆，模量低；黏流态分子整链运动被激活，形变很大且不可逆，模量很小，处于粘性流动状态。交联聚合物没有粘流态，原因如下：1.高分子流动是通过链段的位移运动来完成的。 2.小分子流动“孔穴”理论液体流动模型：低分子液体中存在着许多与分子尺寸相当的孔穴。当没有外力存在时，靠分子的热运动，孔穴周围的分子向孔穴跃迁的几率是相等的，孔穴与分子不断交换位置即产生分子扩散运动。外力存在使分子沿作用力方向跃迁的几率比其他方向大。分子向前跃迁后，分子原来占有的位置成了新的孔穴，可让后面的分子向前跃迁。分子在外力方向上的从优跃迁，使分子通过分子间的孔穴相继向某—方向移动，形成液体的宏观流动现象。当温度升高，分于热运动能量增加，液体中的孔穴也随着增加和膨胀，使流动的阻力减少。 什么是形变～温度曲线？ 答：在一定的力学负荷下，高分子材料的形变量与温度的关系成为高聚物的温度-形变曲线。 什么是数均分子量？测试数均分子量的方法有哪些？ 答：以数量为统计权重的平均分子量为数均分子量。 方法：端基分析法、蒸汽压渗透法、冰点降低法、沸点升高法、渗透压发。 什么是晶态聚合物的插线板模型？ 答：就一层晶片而言，其中分子链的排列方式与老式电话交换台的插线板相似，晶片表面上的分子链就像插头电线那样，毫无规则，也不紧凑，构成非晶区，该模型称为插线板模型。 什么是构象？什么是构型？两者有什么区别？ 答：由于单键内旋转而产生的分子在空间的不同形态称为构象。
北京化工大学高分子基础理论习题答案
第一章 1写出下列聚合物的英文缩写及结构式,并按主链结构进行分类 聚乙烯聚丙烯聚氯乙烯聚苯乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯尼龙66 聚对苯二甲酸乙二醇酯聚碳酸酯聚异戊二烯聚丁二烯 聚合物英文缩写结构式分类 聚乙烯PE碳链高分子 聚丙烯PP碳链高分子 聚氯乙烯PVC碳链高分子 聚苯乙烯PS碳链高分子 PMMA碳链高分子 聚甲基丙 烯酸甲酯 杂链高分子 尼龙66PA66或 Nylon66 聚对苯二 PET杂链高分子 甲酸乙二 醇酯 聚碳酸酯PC杂链高分子 PIP碳链高分子 聚异戊二 烯 聚丁二烯PB碳链高分子 第二章 1 简述自由基聚合的基元反应及自由基聚合的特征。 自由基聚合的基元反应：链引发、链增长和链终止。
自由基聚合的特征：慢引发、快增长、速终止。在自由基聚合的三步基元反应中，链引发是控制整个聚合速率的关键，链增长和链终止是一对竞争反应，受反应速率常数和反应物浓度的影响。 2 简述聚合度增大的高分子化学反应主要有哪些？并分别举例说明其在工业上的应用。 聚合度增大的高分子化学反应主要有：交联反应、接枝反应、扩链反应。 交联反应是指：聚合物分子链间通过化学键连接成一个整体网络结构的过程，如：用硫或硫化物使橡胶交联硫化；用过氧化物使聚乙烯交联提高聚乙烯管材的耐压等级及耐热性。 接枝反应是指：在高分子主链上接上结构、组成不同支链的化学反应，如将马来酸酐接枝聚丙烯用作PA/PP共混物的相容剂。 扩链反应是指：通过链末端功能基反应形成聚合度增大了的线形高分子链的过程。如将回收PET树脂经扩链反应制备高粘度PET。 第三章 1根据链结构，将下列聚合物按柔顺性大小排序并说明原因： （1）PE，PP，PS，聚二甲基硅氧烷 柔顺性从大到小顺序为：聚二甲基硅氧烷＞聚乙烯＞聚丙烯＞聚苯乙烯 原因：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯均为碳链聚合物，而聚二甲基硅氧烷为杂链高分子，Si-O键键长、键角比C-C大，且O原子上没有取代基，因此单键内旋转受到的阻碍少，分子链柔顺性最高，另外聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯三种碳链聚合物相比，取代基（或侧基）体积依次增大，对C-C单键内选择阻碍增加，大分子链柔顺性依次降低。 （2）PP， PVC，PAN 柔顺性从大到小依次为：PP＞PVC＞PAN 原因：以上三种聚合物均为碳链聚合物，取代基的极性-CH3，-Cl，-
高分子物理名词解释
第一章概论 分子量分布，是指聚合物试样中各组分含量与分子量的关系。 黏弹性，对一整块聚合物熔体在短时间内可以观察到它有一定的形状和弹性，但是经长时间观察这种熔体会表现出液体的流动性。这种长时间观察到的粘性流动和短时间内观察到的弹性两者相结合，而且与时间有关的力学性质称为黏弹性。 玻璃化转变，无定形和结晶热塑性聚合物低温时都呈玻璃态，受热至某一较窄温度，则转变为橡胶态或柔韧的可塑状态，这一转变过程称为玻璃化转变。转变时对应的温度称为玻璃化转变温度Tg。高弹性，聚合物材料在受到外力时，分子中的链段发生了运动，使长链分子由蜷曲状变成伸展状，产生很大的形变，但不导致高分子链之间产生滑移，当解除外力后，形变可完全恢复，材料的这种性质称为高弹性。 第二章高分子的链结构 高分子的链结构又分近程结构和远程结构。近程结构属于化学结构，又称一级结构。远程结构包括分子的大小与形态，链的柔顺性及分子在各种环境中所采取的构象，又称二级结构。聚集态结构是指高分子材料整体的内部结构，包括晶态结构、非晶态结构、取向态结构、液晶态结构以及织态结构，它们是描述高分子聚集体中的分子之间是如何堆砌的，又称三级结构。织态结构和高分子在生物体中的结构则属于更高级的结构。 高分子链的构型包括单体单元的键合顺序、空间构型的规整性、支化度、交联度以及共聚物的组成及序列结构。 高分子链序列结构：共聚物中不同结构单元的交替次数，不同结构单元在分子链中的平均长度。 全同立构，高分子全部由一种旋光异构体键接而成，称为全同立构； 间同立构，由两种旋光异构体交替键接而成，称为间同立构； 无规立构，两种旋光异构体完全无规键接时，则称为无规立构。 等规立构，全同异构和间同异构统称为等规立构。定向聚合，通常自由基聚合的高聚物大都是无规的，只有用特殊的催化剂才能制得等规立构的高聚物，这种聚合方法称为定向聚合。 等规度是指高聚物中含有全同立构和间同立构的总的百分数。 交联结构，高分子链之间通过支化联结成一个三维空间网型大分子时即称为交联结构。 交联度，通常用两个交联点之间的平均分子量Mc 来表示。交联度愈高，Mc愈小。或者用交联点的密度表示。 交联点密度的定义为，交联的结构单元占总结构单元的分数，即每一结构单元的交联几率。 由于单键内旋转而产生的分子在不同形态称为构象。 构型是指分子中由化学键所固定的原子在空间的几何排列，要改变构型必须经过化学键的断裂和重组。 无规线团，单键的内旋转导致高分子呈蜷曲构象，这种不规则的蜷曲的高分子链的构象称为无规线团。 柔顺性，高分子能够改变其构象的性质称为柔顺
第10章电力电子的应用 填空题： 1间接交流变流电路主要可分为两类
第10章电力电子的应用 填空题： 1.间接交流变流电路主要可分为两类，一类是输出电压和频率均可变的________电路，主要用作________；另一类是输出交流电压大小和频率均不变的________电路，主要用作________。 2.间接交流变流电路由________、________和________构成，目前中小容量的逆变器基本采用________控制。 3.对于笼型异步电机的定子频率控制方式，有________控制、________控制、 ________控制、________控制等。 4.异步电动机的数学模型是________、________、________的多变量系统；矢量控制方式基于异步电动机的按转子磁链定向的动态模型，将定子电流分解为________和与此垂直的________，分别独立地对两个电流分量进行控制。 5.广义的说， UPS 包括输出为________和输出为________两种情况，目前通常是指输出为________的情况。 6.间接直流变流电路分为________和________电路两大类，在前种电路中，变压器中流过的是________；在后者中，变压器中的电流为________。 7.单端电路有________和________两种电路，双端电路有________、________和________三种电路。 8.反激电路中的变压器起________的作用，反激电路不应工作于________状态。 9.双端电路种常见的整流电路形式为________电路和________电路。一般在输出电压较低的情况下采用________；在高压输出的情况下，采用________；当电路输出电压非常低时，可采用________电路。 10.从输入输出关系来看，开关电源是一种________装置，由于开关电源采用了工作频率较高的________，使其变压器和滤波器都大大减小。 简答题： 11.什么是组合变流电路？ 12.试阐明如题图8-12所示间接交流变流电路的工作原理，并说明该电路有何局限性。
高分子聚合物的取向表征
高分子聚合物的取向表征 用途 高分子和它的链段本身具有较大的长度，因此在空间上必然指向一定的方向。当高分子链段在空间随机取向时，由概率论可知，此时分子或分子链段指向各个方向的几率是相同的。在宏观上，高分子的这种取向方式使高分子聚合物在各个方向上呈现相同的品质，即各向同性性质。高分子链段也可能沿某些方向规整地周期性排列，从而形成高分子晶体。在一些条件下，如外力，流动等，相当数量的高分子链段会平行指向同一方向，由此形成的高分子聚集态结构被称作取向态结构。高分子链段平行地向同一方向排列的现象叫做高分子聚合物的取向。 表征方法及原理 1.高分子聚合物中分子链的取向度 1.1 高分子聚合物的取向 由于高分子聚合物取向后多数分子链段指向同一个方向，在这一方向上，高分子聚合物的宏观性能显然与其他方向存在差异，材料呈各项异性性质。在力学性能上，取向方向的强度、刚度会明显提高，而与之垂直方向上的强度和刚度则可能会降低。在光学性能上，高分子聚合物的取向导致双折射现象的出现。热性能上，热膨胀系数在取向和非取向方向上不同。高分子聚合物在外力作用下的取向有两种方式： l 单轴取向 l 双轴取向 单轴取向：高分子聚合物在单一方向上被外力拉伸；聚合物的长度增加，厚度和宽度减小。分子链受外力的影响指向受力方向。 双轴取向：外力在两个互相垂直的方向拉伸高分子聚合物。聚合物的在受力方向的长度增加，厚度减小，高分子链段相对于拉伸平面平行排列，在拉伸平面内则为随机排列。可见，双轴取向后，高分子聚合物在拉伸平面内的性能呈各项同性。 1.2 取向度 高分子聚合物中分子链段向特定方向排列的程度叫做取向度。取向度一般用取向函数F表示： F=0.5 (3cos2θ —1) 在定义取向函数时，通常取一特定的方向（如拉伸方向）作为参考方向，取分子的链轴方向与参考方向的夹角为取向角，θ。对于实际的高分子聚合物，θ不是一个定值，而是按一定的方式分布，因此取向函数方程中的θ往往采用实际取向角的平均值。 2.取向度的测定方法 2.1 广角X射线衍射法（W AXS） 选定取向单元（例如高分子主链轴、高聚物结晶主轴），然后选择取向度的参考方向，如拉伸方向。用广角X射线衍射仪获取样品的衍射图，取赤道线上Debye环（常用最强环）的强度分布曲线的半高宽（单位为“度”），计算聚合物样品中高分子链及微晶体的取向度： 式中，Π为聚合物样品中高分子链及微晶体沿样品被拉伸方向的取向度，H°为赤道线上Debye环强度分布曲线的半高宽度。Π值没有明确物理意义，只能做相对比较的参考数据。 2.2 双折射法表征纤维的取向度。 用偏光显微镜观测浸于油中的纤维。“浸油”是已知折光指数的油剂。变换不同折光指数的油
高分子物理名词解释
近程结构：高分子中与结构单元相关的化学结构，包括结构单元的构造与构型 远程结构：指与整个高分子链相关的结构 构型：分子链中由化学键所固定的原子在空间的几何排布方式 构象：分子链中单键内旋转所形成的原子或基团在空间的几何排列图像 碳链高分子：高分子主链全部由碳原子组成，且碳原子之间以共价键连接而成的高分子 杂链高分子：主链上除碳原子外，还有氧氮硫等其他原子存在，原子键以共价键相连接的高分子元素有机高分子：主链不含碳原子，由Si,B,P,Al,Ti,As,O等无机元素组成，侧基为有机取代基团链接异构：结构单元在分子链中因键接顺序或连接方式不同而形成的异构体 序列异构：不同序列排布方式形成的键接异构体 旋光异构：d型和l型旋光异构单元在分子链中排列方式不同而构成的异构体 几何异构：根据内双键连接的两个碳原子上键接基团在键两侧的排列方式分出顺式和反式两种立体异构体，称为顺反异构体，也称为几何异构体 全同立构：分子链中所有不对称碳原子均以相同的构型键接 间同立构：分子链中的不对称碳原子分别以d型和l型交替键接 无规立构：分子链中的不对称碳原子以d和l构型任意键接 线性高分子：具有一维拓扑结构的线性长链，长径比大，每个分子链带有两个端基 支化高分子：分子主链上带有与其化学组成相同而长短不一的支链的高分子，端基数目大于2 交联网络：经交联后，分子链形成的具有一定强度的网状结构 内旋转：与σ键相连的两个原子可以做相对旋转而不影响σ键电子云的分布，称为σ键的内旋转内旋转势垒：内旋转时需要消耗一定能量以克服所受的阻力，所需能量即为内旋转势垒 内旋转势能差：内旋转异构体之间的势能差称为内旋转势能差 静态分子链柔顺性：又称为平衡态柔顺性，指高分子链在热力学平衡条件下的柔顺性 动态分子链柔顺性：指分子链在一定外界条件下，微构象从一种平衡态构象转变到另一种平衡态构象的速度或难易程度 链段：如果人为的将若干个相互牵连的相邻σ键合并，看做一个相对独立的单元，即为链段 均方末端距：均方末端距为末端距向量的平方按分子链构象分布求得的统计平均值 均方旋转半径：均方旋转半径定义为从分子链质心到各质点的向量的平方以质点质量为权重的统计平均值 伸展链：呈充分伸展的宏构象的高分子链 自由连接链：假定分子链上化学键数目n相当大，各化学键之间自由连接每个键在任何方向取向的概率相等，不受键角的限制和位垒的障碍，内旋转完全自由，且分子量不占有体积 自由旋转链：假定化学键在键角上的旋转是完全自由的，即每个单键可以在以键角的补角为半锥顶角的锥面上自由旋转，这种分子链模型即为自由旋转链模型 等效自由连接链：将若干个相互连接的σ键合并成链段，视其为相对独立的单元，由于链段之间自由连接，高分子链可以视为以链段为统计单元的自由连接链，该模型为等效自由连接链模型 Kuhn等效链段：等效自由连接链的等效结构单元是链段，也称为Kuhn等效链段 Gauss链：链段数足够多，符合无规行走模型的要求，那么以链段为统计单元的分子链的构象也符合Gauss分布，称为Gauss链模型 Flory特征比：定义为无扰均方末端距与自由链模型计算的均方末端距之比值
扩散与相变
扩散与相变课程教学大纲 一、课程说明 （一）课程名称、所属专业、课程性质、学分； 课程名称：扩散与相变 所属专业：材料物理、材料化学 课程性质：必修 学分：3.0 （二）课程简介、目标与任务； 课程简介：扩散与相变是材料物理专业本科生专业课，也是该专业主干课程之一。 目标与任务：掌握材料科的制备和处理过程中相变的基础知识，包括多元系热力学，相平衡，相界，相变的分类，扩散的基本理论，以及熔化、凝固和玻璃转变等重要相变和转变的基本特征和基本理论。为进一步学习金属材料学、材料的力学性能等后继课程奠定必要的理论基础。同时也为学生今后从事材料科学研究、材料设计和生产奠定必要的理论基础。 （三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接； 先修课程：材料科学导论、X射线衍射与电子显微学 后继课程：材料力学性能、金属材料学、功能材料 与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接：在掌握了材料科学的基础知识之后，通过本课程的学习，理解所谓材料的结构并非是指晶体结构，而是指相的种类、数量、形态和分布，即材料的微观组织，理解相平衡、相界面、相变的基本理论，掌握材料制备和处理过程中材料结构演变的基本原理和基本规律，以便在后继课程中能够顺利的接受和理解材料的制备与处理对材料结构和性能的改变。 （四）教材与主要参考书。 教材：自编讲义 主要参考书：
1. 潘金生，仝健民，田民波编，《材料科学基础》清华大学出版社1998年； 2. D.A. Porter, K.E. Easterling, M.Y. Sherif著，陈冷，余永宁译《金属和合金中的相变》，高等教育出版社，2011年。 二、课程内容与安排 第一章引言：材料学的研究领域与研究方法 第一节材料学与人类的知识 第二节材料 第三节材料的分类 第四节材料的获得 第五节材料科学：超越原子层次的科学 第六节物理学处理问题的方法 第七节德拜温度之上 第八节原子层次之上I——晶体缺陷 第九节原子层次之上II——合金化、相 第十节原子层次之上III——组织 第十一节原子层次之上IV——控制凝固过程对材料组织的改变 第十二节原子层次之上V——变形对材料组织的改变 第十三节原子层次之上VI——热处理对材料组织的改变 第十四节原子层次之上VII——材料结构对性能的影响 第十五节本课程的主要内容 第二章相平衡 第一节热力学及单质的相平衡 第二节合金的热力学 第三节相平衡 第四节二元相图 第五节不同类型合金的凝固过程以及相图名称的由来 第六节 Gibbs相律 第七节 Fe-C相图 第八节氧化物相图 第九节三元相图 第十节相图的来源 第三章相界 第一节相界面的定义与分类
高分子课后习题答案
第一章 1、请用粘弹性的滞后效应相关理论解释塑料注射成型制品的变形收 缩现象以及热处理的作用。 答： （1）粘弹性滞后效应是指在外作用力下，聚合物分子链由于跟不上外力作用速 度而造成的形变总是落后于外力作用速度的效应。 （2）当注射制件脱模时大分子的形变并非已经停止，在贮存和使用过程中，大 分子重排运动的发展，以致密度增加，体积收缩。 （3）在Tg—Tf温度范围对成型制品进行热处理，可以缩短大分子形变的松弛时间，加速结晶聚合物的结晶速度，使制品的形状能加快的稳定下来。 2、比较塑性形变和粘弹性形变的异同点。 答：同：都是不可逆变形。 异：（1）温度区间不同，塑性形变温度区间为Tg—Tf；粘性形变温度区间为Tf以上。 （2）作用力和时间不同，塑性形变需较大外力和较长时间；粘性形变要 很小的外力和瞬时。 3、什么是聚合物的力学三态，各自的特点是什么？各适用于什么加 工方法？ 答：玻璃态、高弹态、粘流态称为聚合物的力学三态。 （1）玻璃态：聚合物模量高，形变小，故不宜进行大形变的成型加工。适用：二次加工 （2）高弹态：产生较大的可逆形变；聚合物粘性大，且具有一定的强度。适用：较大变形的成型工艺。 （3）粘流态：很大的不可逆形变；熔体黏度低。适用：流动性要求较高的成型加工技术。 第二章 1、画出几种典型流体的剪切力-剪切速率流动曲线，并简单说明各自的流变行为特征。
1 答：宾汉流体：与牛顿流体相同，剪切速率～剪切应力的关系也是一条直线，不 同处：它的流动只有当高到一定程度后才开始。 假塑性流体：流体的表观粘度随剪切应力的增加而降低。也即切力变稀现象。 膨胀性流体：流体的表观粘度随剪切应力的增加而增加。也即切力增稠现象。 2、怎么样根据聚合物粘度的温敏特性以及切敏特性选择加工条件？ 答：（1）根据聚合物粘度的温敏特性，当聚合物处于粘流温度以上不宽的温 度范围内时，用 Andrade公式：选择尽可能打 的温度作为加工条件。当温度包括从玻璃化温度到熔点这样打的温度范围时，用 W.L.F方程： 计算温度T时的年度选择加工条件。 （2）根据切敏特性，加工过程中，通过调整敏感参数来实现对粘度的有效控制。 对于粘度对剪切速率敏感的一类聚合物，通过调整熔体剪切速率（或剪切力）来 改变熔体粘度。 3、影响聚合物粘度的因素分别有哪些？